]> www.ginac.de Git - cln.git/blob - doc/cln.tex
* Document jacobi, isprobprime and nextprobprime.
[cln.git] / doc / cln.tex
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename cln.info
4 @settitle CLN, a Class Library for Numbers
5 @c @setchapternewpage off
6 @c For `info' only.
7 @paragraphindent 0
8 @c For TeX only.
9 @iftex
10 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
11 @parindent=0pt
12 @end iftex
13 @c %**end of header
14
15 @direntry
16 * CLN: (cln).                       Class Library for Numbers (C++).
17 @end direntry
18
19 @c My own index.
20 @defindex my
21 @c Don't need the other types of indices.
22 @synindex cp my
23 @synindex fn my
24 @synindex vr my
25 @synindex ky my
26 @synindex pg my
27 @synindex tp my
28
29
30 @c For `info' only.
31 @ifinfo
32 This file documents @sc{cln}, a Class Library for Numbers.
33
34 Published by Bruno Haible, @code{<haible@@clisp.cons.org>} and
35 Richard B. Kreckel, @code{<kreckel@@ginac.de>}.
36
37 Copyright (C)  Bruno Haible 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002.
38 Copyright (C)  Richard B. Kreckel 2000, 2001, 2002, 2003, 2004.
39
40 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
41 this manual provided the copyright notice and this permission notice
42 are preserved on all copies.
43
44 @ignore
45 Permission is granted to process this file through TeX and print the
46 results, provided the printed document carries copying permission
47 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
48 (this paragraph not being relevant to the printed manual).
49
50 @end ignore
51 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
52 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
53 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
54 notice identical to this one.
55
56 Permission is granted to copy and distribute translations of this manual
57 into another language, under the above conditions for modified versions,
58 except that this permission notice may be stated in a translation approved
59 by the author.
60 @end ifinfo
61
62
63 @c For TeX only.
64 @c prevent ugly black rectangles on overfull hbox lines:
65 @finalout
66 @titlepage
67 @title CLN, a Class Library for Numbers
68
69 @author by Bruno Haible
70 @page
71 @vskip 0pt plus 1filll
72 Copyright @copyright{} Bruno Haible 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002.
73 @sp 0
74 Copyright @copyright{} Richard Kreckel 2000, 2001, 2002.
75
76 @sp 2
77 Published by Bruno Haible, @code{<haible@@clisp.cons.org>} and
78 Richard Kreckel, @code{<kreckel@@ginac.de>}.
79
80 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
81 this manual provided the copyright notice and this permission notice
82 are preserved on all copies.
83
84 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
85 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
86 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
87 notice identical to this one.
88
89 Permission is granted to copy and distribute translations of this manual
90 into another language, under the above conditions for modified versions,
91 except that this permission notice may be stated in a translation approved
92 by the author.
93
94 @end titlepage
95 @page
96
97
98 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
99
100 @c @menu
101 @c * Introduction::                Introduction
102 @c @end menu
103
104
105 @node Introduction, Top, Top, Top
106 @comment node-name, next, previous, up
107 @chapter Introduction
108
109 @noindent
110 CLN is a library for computations with all kinds of numbers.
111 It has a rich set of number classes:
112
113 @itemize @bullet
114 @item
115 Integers (with unlimited precision),
116
117 @item
118 Rational numbers,
119
120 @item
121 Floating-point numbers:
122
123 @itemize @minus
124 @item
125 Short float,
126 @item
127 Single float,
128 @item
129 Double float,
130 @item
131 Long float (with unlimited precision),
132 @end itemize
133
134 @item
135 Complex numbers,
136
137 @item
138 Modular integers (integers modulo a fixed integer),
139
140 @item
141 Univariate polynomials.
142 @end itemize
143
144 @noindent
145 The subtypes of the complex numbers among these are exactly the
146 types of numbers known to the Common Lisp language. Therefore
147 @code{CLN} can be used for Common Lisp implementations, giving
148 @samp{CLN} another meaning: it becomes an abbreviation of
149 ``Common Lisp Numbers''.
150
151 @noindent
152 The CLN package implements
153
154 @itemize @bullet
155 @item
156 Elementary functions (@code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{/}, @code{sqrt},
157 comparisons, @dots{}),
158
159 @item
160 Logical functions (logical @code{and}, @code{or}, @code{not}, @dots{}),
161
162 @item
163 Transcendental functions (exponential, logarithmic, trigonometric, hyperbolic
164 functions and their inverse functions).
165 @end itemize
166
167 @noindent
168 CLN is a C++ library. Using C++ as an implementation language provides
169
170 @itemize @bullet
171 @item
172 efficiency: it compiles to machine code,
173 @item
174 type safety: the C++ compiler knows about the number types and complains
175 if, for example, you try to assign a float to an integer variable.
176 @item
177 algebraic syntax: You can use the @code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{=},
178 @code{==}, @dots{} operators as in C or C++.
179 @end itemize
180
181 @noindent
182 CLN is memory efficient:
183
184 @itemize @bullet
185 @item
186 Small integers and short floats are immediate, not heap allocated.
187 @item
188 Heap-allocated memory is reclaimed through an automatic, non-interruptive
189 garbage collection.
190 @end itemize
191
192 @noindent
193 CLN is speed efficient:
194
195 @itemize @bullet
196 @item
197 The kernel of CLN has been written in assembly language for some CPUs
198 (@code{i386}, @code{m68k}, @code{sparc}, @code{mips}, @code{arm}).
199 @item
200 @cindex GMP
201 On all CPUs, CLN may be configured to use the superefficient low-level
202 routines from GNU GMP version 3.
203 @item
204 It uses Karatsuba multiplication, which is significantly faster
205 for large numbers than the standard multiplication algorithm.
206 @item
207 For very large numbers (more than 12000 decimal digits), it uses
208 @iftex
209 Sch{@"o}nhage-Strassen
210 @cindex Sch{@"o}nhage-Strassen multiplication
211 @end iftex
212 @ifinfo
213 Schönhage-Strassen
214 @cindex Schönhage-Strassen multiplication
215 @end ifinfo
216 multiplication, which is an asymptotically optimal multiplication
217 algorithm, for multiplication, division and radix conversion.
218 @end itemize
219
220 @noindent
221 CLN aims at being easily integrated into larger software packages:
222
223 @itemize @bullet
224 @item
225 The garbage collection imposes no burden on the main application.
226 @item
227 The library provides hooks for memory allocation and exceptions.
228 @item
229 @cindex namespace
230 All non-macro identifiers are hidden in namespace @code{cln} in 
231 order to avoid name clashes.
232 @end itemize
233
234
235 @chapter Installation
236
237 This section describes how to install the CLN package on your system.
238
239
240 @section Prerequisites
241
242 @subsection C++ compiler
243
244 To build CLN, you need a C++ compiler.
245 Actually, you need GNU @code{g++ 2.95} or newer.
246
247 The following C++ features are used:
248 classes, member functions, overloading of functions and operators,
249 constructors and destructors, inline, const, multiple inheritance,
250 templates and namespaces.
251
252 The following C++ features are not used:
253 @code{new}, @code{delete}, virtual inheritance, exceptions.
254
255 CLN relies on semi-automatic ordering of initializations
256 of static and global variables, a feature which I could
257 implement for GNU g++ only.
258
259 @ignore
260 @comment cl_modules.h requires g++
261 Therefore nearly any C++ compiler will do.
262
263 The following C++ compilers are known to compile CLN:
264 @itemize @minus
265 @item
266 GNU @code{g++ 2.7.0}, @code{g++ 2.7.2}
267 @item
268 SGI @code{CC 4}
269 @end itemize
270
271 The following C++ compilers are known to be unusable for CLN:
272 @itemize @minus
273 @item
274 On SunOS 4, @code{CC 2.1}, because it doesn't grok @code{//} comments
275 in lines containing @code{#if} or @code{#elif} preprocessor commands.
276 @item
277 On AIX 3.2.5, @code{xlC}, because it doesn't grok the template syntax
278 in @code{cl_SV.h} and @code{cl_GV.h}, because it forces most class types
279 to have default constructors, and because it probably miscompiles the
280 integer multiplication routines.
281 @item
282 On AIX 4.1.4.0, @code{xlC}, because when optimizing, it sometimes converts
283 @code{short}s to @code{int}s by zero-extend.
284 @item
285 GNU @code{g++ 2.5.8}
286 @item
287 On HPPA, GNU @code{g++ 2.7.x}, because the semi-automatic ordering of
288 initializations will not work.
289 @end itemize
290 @end ignore
291
292 @subsection Make utility
293 @cindex @code{make}
294
295 To build CLN, you also need to have GNU @code{make} installed.
296
297 Only GNU @code{make} 3.77 is unusable for CLN; other versions work fine.
298
299 @subsection Sed utility
300 @cindex @code{sed}
301
302 To build CLN on HP-UX, you also need to have GNU @code{sed} installed.
303 This is because the libtool script, which creates the CLN library, relies
304 on @code{sed}, and the vendor's @code{sed} utility on these systems is too
305 limited.
306
307
308 @section Building the library
309
310 As with any autoconfiguring GNU software, installation is as easy as this:
311
312 @example
313 $ ./configure
314 $ make
315 $ make check
316 @end example
317
318 If on your system, @samp{make} is not GNU @code{make}, you have to use
319 @samp{gmake} instead of @samp{make} above.
320
321 The @code{configure} command checks out some features of your system and
322 C++ compiler and builds the @code{Makefile}s. The @code{make} command
323 builds the library. This step may take about an hour on an average workstation.
324 The @code{make check} runs some test to check that no important subroutine
325 has been miscompiled.
326
327 The @code{configure} command accepts options. To get a summary of them, try
328
329 @example
330 $ ./configure --help
331 @end example
332
333 Some of the options are explained in detail in the @samp{INSTALL.generic} file.
334
335 You can specify the C compiler, the C++ compiler and their options through
336 the following environment variables when running @code{configure}:
337
338 @table @code
339 @item CC
340 Specifies the C compiler.
341
342 @item CFLAGS
343 Flags to be given to the C compiler when compiling programs (not when linking).
344
345 @item CXX
346 Specifies the C++ compiler.
347
348 @item CXXFLAGS
349 Flags to be given to the C++ compiler when compiling programs (not when linking).
350 @end table
351
352 Examples:
353
354 @example
355 $ CC="gcc" CFLAGS="-O" CXX="g++" CXXFLAGS="-O" ./configure
356 $ CC="gcc -V egcs-2.91.60" CFLAGS="-O -g" \
357   CXX="g++ -V egcs-2.91.60" CXXFLAGS="-O -g" ./configure
358 $ CC="gcc -V 2.95.2" CFLAGS="-O2 -fno-exceptions" \
359   CXX="g++ -V 2.95.2" CFLAGS="-O2 -fno-exceptions" ./configure
360 $ CC="gcc -V 3.0.4" CFLAGS="-O2 -finline-limit=1000 -fno-exceptions" \
361   CXX="g++ -V 3.0.4" CFLAGS="-O2 -finline-limit=1000 -fno-exceptions" \
362   ./configure
363 @end example
364 @ignore
365 @comment cl_modules.h requires g++
366 You should not mix GNU and non-GNU compilers. So, if @code{CXX} is a non-GNU
367 compiler, @code{CC} should be set to a non-GNU compiler as well. Examples:
368
369 @example
370 $ CC="cc" CFLAGS="-O" CXX="CC" CXXFLAGS="-O" ./configure
371 $ CC="gcc -V 2.7.0" CFLAGS="-g" CXX="g++ -V 2.7.0" CXXFLAGS="-g" ./configure
372 @end example
373
374 On SGI Irix 5, if you wish not to use @code{g++}:
375
376 @example
377 $ CC="cc" CFLAGS="-O" CXX="CC" CXXFLAGS="-O -Olimit 16000" ./configure
378 @end example
379
380 On SGI Irix 6, if you wish not to use @code{g++}:
381
382 @example
383 $ CC="cc -32" CFLAGS="-O" CXX="CC -32" CXXFLAGS="-O -Olimit 34000" \
384   ./configure --without-gmp
385 $ CC="cc -n32" CFLAGS="-O" CXX="CC -n32" CXXFLAGS="-O \
386   -OPT:const_copy_limit=32400 -OPT:global_limit=32400 -OPT:fprop_limit=4000" \
387   ./configure --without-gmp
388 @end example
389 @end ignore
390
391 Note that for these environment variables to take effect, you have to set
392 them (assuming a Bourne-compatible shell) on the same line as the
393 @code{configure} command. If you made the settings in earlier shell
394 commands, you have to @code{export} the environment variables before
395 calling @code{configure}. In a @code{csh} shell, you have to use the
396 @samp{setenv} command for setting each of the environment variables.
397
398 Currently CLN works only with the GNU @code{g++} compiler, and only in
399 optimizing mode. So you should specify at least @code{-O} in the CXXFLAGS,
400 or no CXXFLAGS at all. (If CXXFLAGS is not set, CLN will use @code{-O}.)
401
402 If you use @code{g++} 3.0.x or 3.1, I recommend adding
403 @samp{-finline-limit=1000} to the CXXFLAGS. This is essential for good code.
404
405 If you use @code{g++} gcc-2.95.x or gcc-3.x , I recommend adding
406 @samp{-fno-exceptions} to the CXXFLAGS. This will likely generate better code.
407
408 If you use @code{g++} from gcc-3.0.4 or older on Sparc, add either
409 @samp{-O}, @samp{-O1} or @samp{-O2 -fno-schedule-insns} to the
410 CXXFLAGS. With full @samp{-O2}, @code{g++} miscompiles the division
411 routines. If you use @code{g++} older than 2.95.3 on Sparc you should
412 also specify @samp{--disable-shared} because of bad code produced in the
413 shared library. Also, do not use gcc-3.0 on Sparc for compiling CLN, it
414 won't work at all.
415
416 If you use @code{g++} on OSF/1 or Tru64 using gcc-2.95.x, you should
417 specify @samp{--disable-shared} because of linker problems with
418 duplicate symbols in shared libraries.  If you use @code{g++} from
419 gcc-3.0.n, with n larger than 1, you should @emph{not} add
420 @samp{-fno-exceptions} to the CXXFLAGS, since that will generate wrong
421 code (gcc-3.1 is okay again, as is gcc-3.0).
422
423 Also, please do not compile CLN with @code{g++} using the @code{-O3}
424 optimization level.  This leads to inferior code quality.
425
426 If you use @code{g++} from gcc-3.1, it will need 235 MB of virtual memory.
427 You might need some swap space if your machine doesn't have 512 MB of RAM.
428
429 By default, both a shared and a static library are built.  You can build
430 CLN as a static (or shared) library only, by calling @code{configure} with
431 the option @samp{--disable-shared} (or @samp{--disable-static}).  While
432 shared libraries are usually more convenient to use, they may not work
433 on all architectures.  Try disabling them if you run into linker
434 problems.  Also, they are generally somewhat slower than static
435 libraries so runtime-critical applications should be linked statically.
436
437 If you use @code{g++} from gcc-3.1 with option @samp{-g}, you will need
438 some disk space: 335 MB for building as both a shared and a static library,
439 or 130 MB when building as a shared library only.
440
441
442 @subsection Using the GNU MP Library
443 @cindex GMP
444
445 Starting with version 1.1, CLN may be configured to make use of a
446 preinstalled @code{gmp} library.  Please make sure that you have at
447 least @code{gmp} version 3.0 installed since earlier versions are
448 unsupported and likely not to work.  Enabling this feature by calling
449 @code{configure} with the option @samp{--with-gmp} is known to be quite
450 a boost for CLN's performance.
451
452 If you have installed the @code{gmp} library and its header file in
453 some place where your compiler cannot find it by default, you must help
454 @code{configure} by setting @code{CPPFLAGS} and @code{LDFLAGS}.  Here is
455 an example:
456
457 @example
458 $ CC="gcc" CFLAGS="-O2" CXX="g++" CXXFLAGS="-O2 -fno-exceptions" \
459   CPPFLAGS="-I/opt/gmp/include" LDFLAGS="-L/opt/gmp/lib" ./configure --with-gmp
460 @end example
461
462
463 @section Installing the library
464 @cindex installation
465
466 As with any autoconfiguring GNU software, installation is as easy as this:
467
468 @example
469 $ make install
470 @end example
471
472 The @samp{make install} command installs the library and the include files
473 into public places (@file{/usr/local/lib/} and @file{/usr/local/include/},
474 if you haven't specified a @code{--prefix} option to @code{configure}).
475 This step may require superuser privileges.
476
477 If you have already built the library and wish to install it, but didn't
478 specify @code{--prefix=@dots{}} at configure time, just re-run
479 @code{configure}, giving it the same options as the first time, plus
480 the @code{--prefix=@dots{}} option.
481
482
483 @section Cleaning up
484
485 You can remove system-dependent files generated by @code{make} through
486
487 @example
488 $ make clean
489 @end example
490
491 You can remove all files generated by @code{make}, thus reverting to a
492 virgin distribution of CLN, through
493
494 @example
495 $ make distclean
496 @end example
497
498
499 @chapter Ordinary number types
500
501 CLN implements the following class hierarchy:
502
503 @example
504                         Number
505                       cl_number
506                     <cln/number.h>
507                           |
508                           |
509                  Real or complex number
510                         cl_N
511                     <cln/complex.h>
512                           |
513                           |
514                      Real number
515                         cl_R
516                      <cln/real.h>
517                           |
518       +-------------------+-------------------+
519       |                                       |
520 Rational number                     Floating-point number
521     cl_RA                                   cl_F
522 <cln/rational.h>                         <cln/float.h>
523       |                                       |
524       |                +--------------+--------------+--------------+
525    Integer             |              |              |              |
526     cl_I          Short-Float    Single-Float   Double-Float    Long-Float
527 <cln/integer.h>      cl_SF          cl_FF          cl_DF          cl_LF
528                  <cln/sfloat.h> <cln/ffloat.h> <cln/dfloat.h> <cln/lfloat.h>
529 @end example
530
531 @cindex @code{cl_number}
532 @cindex abstract class
533 The base class @code{cl_number} is an abstract base class.
534 It is not useful to declare a variable of this type except if you want
535 to completely disable compile-time type checking and use run-time type
536 checking instead.
537
538 @cindex @code{cl_N}
539 @cindex real number
540 @cindex complex number
541 The class @code{cl_N} comprises real and complex numbers. There is
542 no special class for complex numbers since complex numbers with imaginary
543 part @code{0} are automatically converted to real numbers.
544
545 @cindex @code{cl_R}
546 The class @code{cl_R} comprises real numbers of different kinds. It is an
547 abstract class.
548
549 @cindex @code{cl_RA}
550 @cindex rational number
551 @cindex integer
552 The class @code{cl_RA} comprises exact real numbers: rational numbers, including
553 integers. There is no special class for non-integral rational numbers
554 since rational numbers with denominator @code{1} are automatically converted
555 to integers.
556
557 @cindex @code{cl_F}
558 The class @code{cl_F} implements floating-point approximations to real numbers.
559 It is an abstract class.
560
561
562 @section Exact numbers
563 @cindex exact number
564
565 Some numbers are represented as exact numbers: there is no loss of information
566 when such a number is converted from its mathematical value to its internal
567 representation. On exact numbers, the elementary operations (@code{+},
568 @code{-}, @code{*}, @code{/}, comparisons, @dots{}) compute the completely
569 correct result.
570
571 In CLN, the exact numbers are:
572
573 @itemize @bullet
574 @item
575 rational numbers (including integers),
576 @item
577 complex numbers whose real and imaginary parts are both rational numbers.
578 @end itemize
579
580 Rational numbers are always normalized to the form
581 @code{@var{numerator}/@var{denominator}} where the numerator and denominator
582 are coprime integers and the denominator is positive. If the resulting
583 denominator is @code{1}, the rational number is converted to an integer.
584
585 @cindex immediate numbers
586 Small integers (typically in the range @code{-2^29}@dots{}@code{2^29-1},
587 for 32-bit machines) are especially efficient, because they consume no heap
588 allocation. Otherwise the distinction between these immediate integers
589 (called ``fixnums'') and heap allocated integers (called ``bignums'')
590 is completely transparent.
591
592
593 @section Floating-point numbers
594 @cindex floating-point number
595
596 Not all real numbers can be represented exactly. (There is an easy mathematical
597 proof for this: Only a countable set of numbers can be stored exactly in
598 a computer, even if one assumes that it has unlimited storage. But there
599 are uncountably many real numbers.) So some approximation is needed.
600 CLN implements ordinary floating-point numbers, with mantissa and exponent.
601
602 @cindex rounding error
603 The elementary operations (@code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{/}, @dots{})
604 only return approximate results. For example, the value of the expression
605 @code{(cl_F) 0.3 + (cl_F) 0.4} prints as @samp{0.70000005}, not as
606 @samp{0.7}. Rounding errors like this one are inevitable when computing
607 with floating-point numbers.
608
609 Nevertheless, CLN rounds the floating-point results of the operations @code{+},
610 @code{-}, @code{*}, @code{/}, @code{sqrt} according to the ``round-to-even''
611 rule: It first computes the exact mathematical result and then returns the
612 floating-point number which is nearest to this. If two floating-point numbers
613 are equally distant from the ideal result, the one with a @code{0} in its least
614 significant mantissa bit is chosen.
615
616 Similarly, testing floating point numbers for equality @samp{x == y}
617 is gambling with random errors. Better check for @samp{abs(x - y) < epsilon}
618 for some well-chosen @code{epsilon}.
619
620 Floating point numbers come in four flavors:
621
622 @itemize @bullet
623 @item
624 @cindex @code{cl_SF}
625 Short floats, type @code{cl_SF}.
626 They have 1 sign bit, 8 exponent bits (including the exponent's sign),
627 and 17 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
628 They don't consume heap allocation.
629
630 @item
631 @cindex @code{cl_FF}
632 Single floats, type @code{cl_FF}.
633 They have 1 sign bit, 8 exponent bits (including the exponent's sign),
634 and 24 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
635 In CLN, they are represented as IEEE single-precision floating point numbers.
636 This corresponds closely to the C/C++ type @samp{float}.
637
638 @item
639 @cindex @code{cl_DF}
640 Double floats, type @code{cl_DF}.
641 They have 1 sign bit, 11 exponent bits (including the exponent's sign),
642 and 53 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
643 In CLN, they are represented as IEEE double-precision floating point numbers.
644 This corresponds closely to the C/C++ type @samp{double}.
645
646 @item
647 @cindex @code{cl_LF}
648 Long floats, type @code{cl_LF}.
649 They have 1 sign bit, 32 exponent bits (including the exponent's sign),
650 and n mantissa bits (including the ``hidden'' bit), where n >= 64.
651 The precision of a long float is unlimited, but once created, a long float
652 has a fixed precision. (No ``lazy recomputation''.)
653 @end itemize
654
655 Of course, computations with long floats are more expensive than those
656 with smaller floating-point formats.
657
658 CLN does not implement features like NaNs, denormalized numbers and
659 gradual underflow. If the exponent range of some floating-point type
660 is too limited for your application, choose another floating-point type
661 with larger exponent range.
662
663 @cindex @code{cl_F}
664 As a user of CLN, you can forget about the differences between the
665 four floating-point types and just declare all your floating-point
666 variables as being of type @code{cl_F}. This has the advantage that
667 when you change the precision of some computation (say, from @code{cl_DF}
668 to @code{cl_LF}), you don't have to change the code, only the precision
669 of the initial values. Also, many transcendental functions have been
670 declared as returning a @code{cl_F} when the argument is a @code{cl_F},
671 but such declarations are missing for the types @code{cl_SF}, @code{cl_FF},
672 @code{cl_DF}, @code{cl_LF}. (Such declarations would be wrong if
673 the floating point contagion rule happened to change in the future.)
674
675
676 @section Complex numbers
677 @cindex complex number
678
679 Complex numbers, as implemented by the class @code{cl_N}, have a real
680 part and an imaginary part, both real numbers. A complex number whose
681 imaginary part is the exact number @code{0} is automatically converted
682 to a real number.
683
684 Complex numbers can arise from real numbers alone, for example
685 through application of @code{sqrt} or transcendental functions.
686
687
688 @section Conversions
689 @cindex conversion
690
691 Conversions from any class to any its superclasses (``base classes'' in
692 C++ terminology) is done automatically.
693
694 Conversions from the C built-in types @samp{long} and @samp{unsigned long}
695 are provided for the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA}, @code{cl_R},
696 @code{cl_N} and @code{cl_number}.
697
698 Conversions from the C built-in types @samp{int} and @samp{unsigned int}
699 are provided for the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA}, @code{cl_R},
700 @code{cl_N} and @code{cl_number}. However, these conversions emphasize
701 efficiency. Their range is therefore limited:
702
703 @itemize @minus
704 @item
705 The conversion from @samp{int} works only if the argument is < 2^29 and > -2^29.
706 @item
707 The conversion from @samp{unsigned int} works only if the argument is < 2^29.
708 @end itemize
709
710 In a declaration like @samp{cl_I x = 10;} the C++ compiler is able to
711 do the conversion of @code{10} from @samp{int} to @samp{cl_I} at compile time
712 already. On the other hand, code like @samp{cl_I x = 1000000000;} is
713 in error.
714 So, if you want to be sure that an @samp{int} whose magnitude is not guaranteed
715 to be < 2^29 is correctly converted to a @samp{cl_I}, first convert it to a
716 @samp{long}. Similarly, if a large @samp{unsigned int} is to be converted to a
717 @samp{cl_I}, first convert it to an @samp{unsigned long}.
718
719 Conversions from the C built-in type @samp{float} are provided for the classes
720 @code{cl_FF}, @code{cl_F}, @code{cl_R}, @code{cl_N} and @code{cl_number}.
721
722 Conversions from the C built-in type @samp{double} are provided for the classes
723 @code{cl_DF}, @code{cl_F}, @code{cl_R}, @code{cl_N} and @code{cl_number}.
724
725 Conversions from @samp{const char *} are provided for the classes
726 @code{cl_I}, @code{cl_RA},
727 @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}, @code{cl_F},
728 @code{cl_R}, @code{cl_N}.
729 The easiest way to specify a value which is outside of the range of the
730 C++ built-in types is therefore to specify it as a string, like this:
731 @cindex Rubik's cube
732 @example
733    cl_I order_of_rubiks_cube_group = "43252003274489856000";
734 @end example
735 Note that this conversion is done at runtime, not at compile-time.
736
737 Conversions from @code{cl_I} to the C built-in types @samp{int},
738 @samp{unsigned int}, @samp{long}, @samp{unsigned long} are provided through
739 the functions
740
741 @table @code
742 @item int cl_I_to_int (const cl_I& x)
743 @cindex @code{cl_I_to_int ()}
744 @itemx unsigned int cl_I_to_uint (const cl_I& x)
745 @cindex @code{cl_I_to_uint ()}
746 @itemx long cl_I_to_long (const cl_I& x)
747 @cindex @code{cl_I_to_long ()}
748 @itemx unsigned long cl_I_to_ulong (const cl_I& x)
749 @cindex @code{cl_I_to_ulong ()}
750 Returns @code{x} as element of the C type @var{ctype}. If @code{x} is not
751 representable in the range of @var{ctype}, a runtime error occurs.
752 @end table
753
754 Conversions from the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA},
755 @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}, @code{cl_F} and
756 @code{cl_R}
757 to the C built-in types @samp{float} and @samp{double} are provided through
758 the functions
759
760 @table @code
761 @item float float_approx (const @var{type}& x)
762 @cindex @code{float_approx ()}
763 @itemx double double_approx (const @var{type}& x)
764 @cindex @code{double_approx ()}
765 Returns an approximation of @code{x} of C type @var{ctype}.
766 If @code{abs(x)} is too close to 0 (underflow), 0 is returned.
767 If @code{abs(x)} is too large (overflow), an IEEE infinity is returned.
768 @end table
769
770 Conversions from any class to any of its subclasses (``derived classes'' in
771 C++ terminology) are not provided. Instead, you can assert and check
772 that a value belongs to a certain subclass, and return it as element of that
773 class, using the @samp{As} and @samp{The} macros.
774 @cindex @code{As()()}
775 @code{As(@var{type})(@var{value})} checks that @var{value} belongs to
776 @var{type} and returns it as such.
777 @cindex @code{The()()}
778 @code{The(@var{type})(@var{value})} assumes that @var{value} belongs to
779 @var{type} and returns it as such. It is your responsibility to ensure
780 that this assumption is valid.  Since macros and namespaces don't go
781 together well, there is an equivalent to @samp{The}: the template
782 @samp{the}.
783
784 Example:
785
786 @example
787 @group
788    cl_I x = @dots{};
789    if (!(x >= 0)) abort();
790    cl_I ten_x_a = The(cl_I)(expt(10,x)); // If x >= 0, 10^x is an integer.
791                 // In general, it would be a rational number.
792    cl_I ten_x_b = the<cl_I>(expt(10,x)); // The same as above.
793 @end group
794 @end example
795
796
797 @chapter Functions on numbers
798
799 Each of the number classes declares its mathematical operations in the
800 corresponding include file. For example, if your code operates with
801 objects of type @code{cl_I}, it should @code{#include <cln/integer.h>}.
802
803
804 @section Constructing numbers
805
806 Here is how to create number objects ``from nothing''.
807
808
809 @subsection Constructing integers
810
811 @code{cl_I} objects are most easily constructed from C integers and from
812 strings. See @ref{Conversions}.
813
814
815 @subsection Constructing rational numbers
816
817 @code{cl_RA} objects can be constructed from strings. The syntax
818 for rational numbers is described in @ref{Internal and printed representation}.
819 Another standard way to produce a rational number is through application
820 of @samp{operator /} or @samp{recip} on integers.
821
822
823 @subsection Constructing floating-point numbers
824
825 @code{cl_F} objects with low precision are most easily constructed from
826 C @samp{float} and @samp{double}. See @ref{Conversions}.
827
828 To construct a @code{cl_F} with high precision, you can use the conversion
829 from @samp{const char *}, but you have to specify the desired precision
830 within the string. (See @ref{Internal and printed representation}.)
831 Example:
832 @example
833    cl_F e = "0.271828182845904523536028747135266249775724709369996e+1_40";
834 @end example
835 will set @samp{e} to the given value, with a precision of 40 decimal digits.
836
837 The programmatic way to construct a @code{cl_F} with high precision is
838 through the @code{cl_float} conversion function, see
839 @ref{Conversion to floating-point numbers}. For example, to compute
840 @code{e} to 40 decimal places, first construct 1.0 to 40 decimal places
841 and then apply the exponential function:
842 @example
843    float_format_t precision = float_format(40);
844    cl_F e = exp(cl_float(1,precision));
845 @end example
846
847
848 @subsection Constructing complex numbers
849
850 Non-real @code{cl_N} objects are normally constructed through the function
851 @example
852    cl_N complex (const cl_R& realpart, const cl_R& imagpart)
853 @end example
854 See @ref{Elementary complex functions}.
855
856
857 @section Elementary functions
858
859 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
860 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
861 defines the following operations:
862
863 @table @code
864 @item @var{type} operator + (const @var{type}&, const @var{type}&)
865 @cindex @code{operator + ()}
866 Addition.
867
868 @item @var{type} operator - (const @var{type}&, const @var{type}&)
869 @cindex @code{operator - ()}
870 Subtraction.
871
872 @item @var{type} operator - (const @var{type}&)
873 Returns the negative of the argument.
874
875 @item @var{type} plus1 (const @var{type}& x)
876 @cindex @code{plus1 ()}
877 Returns @code{x + 1}.
878
879 @item @var{type} minus1 (const @var{type}& x)
880 @cindex @code{minus1 ()}
881 Returns @code{x - 1}.
882
883 @item @var{type} operator * (const @var{type}&, const @var{type}&)
884 @cindex @code{operator * ()}
885 Multiplication.
886
887 @item @var{type} square (const @var{type}& x)
888 @cindex @code{square ()}
889 Returns @code{x * x}.
890 @end table
891
892 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA},
893 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
894 defines the following operations:
895
896 @table @code
897 @item @var{type} operator / (const @var{type}&, const @var{type}&)
898 @cindex @code{operator / ()}
899 Division.
900
901 @item @var{type} recip (const @var{type}&)
902 @cindex @code{recip ()}
903 Returns the reciprocal of the argument.
904 @end table
905
906 The class @code{cl_I} doesn't define a @samp{/} operation because
907 in the C/C++ language this operator, applied to integral types,
908 denotes the @samp{floor} or @samp{truncate} operation (which one of these,
909 is implementation dependent). (@xref{Rounding functions}.)
910 Instead, @code{cl_I} defines an ``exact quotient'' function:
911
912 @table @code
913 @item cl_I exquo (const cl_I& x, const cl_I& y)
914 @cindex @code{exquo ()}
915 Checks that @code{y} divides @code{x}, and returns the quotient @code{x}/@code{y}.
916 @end table
917
918 The following exponentiation functions are defined:
919
920 @table @code
921 @item cl_I expt_pos (const cl_I& x, const cl_I& y)
922 @cindex @code{expt_pos ()}
923 @itemx cl_RA expt_pos (const cl_RA& x, const cl_I& y)
924 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
925
926 @item cl_RA expt (const cl_RA& x, const cl_I& y)
927 @cindex @code{expt ()}
928 @itemx cl_R expt (const cl_R& x, const cl_I& y)
929 @itemx cl_N expt (const cl_N& x, const cl_I& y)
930 Returns @code{x^y}.
931 @end table
932
933 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
934 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
935 defines the following operation:
936
937 @table @code
938 @item @var{type} abs (const @var{type}& x)
939 @cindex @code{abs ()}
940 Returns the absolute value of @code{x}.
941 This is @code{x} if @code{x >= 0}, and @code{-x} if @code{x <= 0}.
942 @end table
943
944 The class @code{cl_N} implements this as follows:
945
946 @table @code
947 @item cl_R abs (const cl_N x)
948 Returns the absolute value of @code{x}.
949 @end table
950
951 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
952 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
953 defines the following operation:
954
955 @table @code
956 @item @var{type} signum (const @var{type}& x)
957 @cindex @code{signum ()}
958 Returns the sign of @code{x}, in the same number format as @code{x}.
959 This is defined as @code{x / abs(x)} if @code{x} is non-zero, and
960 @code{x} if @code{x} is zero. If @code{x} is real, the value is either
961 0 or 1 or -1.
962 @end table
963
964
965 @section Elementary rational functions
966
967 Each of the classes @code{cl_RA}, @code{cl_I} defines the following operations:
968
969 @table @code
970 @item cl_I numerator (const @var{type}& x)
971 @cindex @code{numerator ()}
972 Returns the numerator of @code{x}.
973
974 @item cl_I denominator (const @var{type}& x)
975 @cindex @code{denominator ()}
976 Returns the denominator of @code{x}.
977 @end table
978
979 The numerator and denominator of a rational number are normalized in such
980 a way that they have no factor in common and the denominator is positive.
981
982
983 @section Elementary complex functions
984
985 The class @code{cl_N} defines the following operation:
986
987 @table @code
988 @item cl_N complex (const cl_R& a, const cl_R& b)
989 @cindex @code{complex ()}
990 Returns the complex number @code{a+bi}, that is, the complex number with
991 real part @code{a} and imaginary part @code{b}.
992 @end table
993
994 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R} defines the following operations:
995
996 @table @code
997 @item cl_R realpart (const @var{type}& x)
998 @cindex @code{realpart ()}
999 Returns the real part of @code{x}.
1000
1001 @item cl_R imagpart (const @var{type}& x)
1002 @cindex @code{imagpart ()}
1003 Returns the imaginary part of @code{x}.
1004
1005 @item @var{type} conjugate (const @var{type}& x)
1006 @cindex @code{conjugate ()}
1007 Returns the complex conjugate of @code{x}.
1008 @end table
1009
1010 We have the relations
1011
1012 @itemize @asis
1013 @item
1014 @code{x = complex(realpart(x), imagpart(x))}
1015 @item
1016 @code{conjugate(x) = complex(realpart(x), -imagpart(x))}
1017 @end itemize
1018
1019
1020 @section Comparisons
1021 @cindex comparison
1022
1023 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1024 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1025 defines the following operations:
1026
1027 @table @code
1028 @item bool operator == (const @var{type}&, const @var{type}&)
1029 @cindex @code{operator == ()}
1030 @itemx bool operator != (const @var{type}&, const @var{type}&)
1031 @cindex @code{operator != ()}
1032 Comparison, as in C and C++.
1033
1034 @item uint32 equal_hashcode (const @var{type}&)
1035 @cindex @code{equal_hashcode ()}
1036 Returns a 32-bit hash code that is the same for any two numbers which are
1037 the same according to @code{==}. This hash code depends on the number's value,
1038 not its type or precision.
1039
1040 @item cl_boolean zerop (const @var{type}& x)
1041 @cindex @code{zerop ()}
1042 Compare against zero: @code{x == 0}
1043 @end table
1044
1045 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1046 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1047 defines the following operations:
1048
1049 @table @code
1050 @item cl_signean compare (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1051 @cindex @code{compare ()}
1052 Compares @code{x} and @code{y}. Returns +1 if @code{x}>@code{y},
1053 -1 if @code{x}<@code{y}, 0 if @code{x}=@code{y}.
1054
1055 @item bool operator <= (const @var{type}&, const @var{type}&)
1056 @cindex @code{operator <= ()}
1057 @itemx bool operator < (const @var{type}&, const @var{type}&)
1058 @cindex @code{operator < ()}
1059 @itemx bool operator >= (const @var{type}&, const @var{type}&)
1060 @cindex @code{operator >= ()}
1061 @itemx bool operator > (const @var{type}&, const @var{type}&)
1062 @cindex @code{operator > ()}
1063 Comparison, as in C and C++.
1064
1065 @item cl_boolean minusp (const @var{type}& x)
1066 @cindex @code{minusp ()}
1067 Compare against zero: @code{x < 0}
1068
1069 @item cl_boolean plusp (const @var{type}& x)
1070 @cindex @code{plusp ()}
1071 Compare against zero: @code{x > 0}
1072
1073 @item @var{type} max (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1074 @cindex @code{max ()}
1075 Return the maximum of @code{x} and @code{y}.
1076
1077 @item @var{type} min (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1078 @cindex @code{min ()}
1079 Return the minimum of @code{x} and @code{y}.
1080 @end table
1081
1082 When a floating point number and a rational number are compared, the float
1083 is first converted to a rational number using the function @code{rational}.
1084 Since a floating point number actually represents an interval of real numbers,
1085 the result might be surprising.
1086 For example, @code{(cl_F)(cl_R)"1/3" == (cl_R)"1/3"} returns false because
1087 there is no floating point number whose value is exactly @code{1/3}.
1088
1089
1090 @section Rounding functions
1091 @cindex rounding
1092
1093 When a real number is to be converted to an integer, there is no ``best''
1094 rounding. The desired rounding function depends on the application.
1095 The Common Lisp and ISO Lisp standards offer four rounding functions:
1096
1097 @table @code
1098 @item floor(x)
1099 This is the largest integer <=@code{x}.
1100
1101 @item ceiling(x)
1102 This is the smallest integer >=@code{x}.
1103
1104 @item truncate(x)
1105 Among the integers between 0 and @code{x} (inclusive) the one nearest to @code{x}.
1106
1107 @item round(x)
1108 The integer nearest to @code{x}. If @code{x} is exactly halfway between two
1109 integers, choose the even one.
1110 @end table
1111
1112 These functions have different advantages:
1113
1114 @code{floor} and @code{ceiling} are translation invariant:
1115 @code{floor(x+n) = floor(x) + n} and @code{ceiling(x+n) = ceiling(x) + n}
1116 for every @code{x} and every integer @code{n}.
1117
1118 On the other hand, @code{truncate} and @code{round} are symmetric:
1119 @code{truncate(-x) = -truncate(x)} and @code{round(-x) = -round(x)},
1120 and furthermore @code{round} is unbiased: on the ``average'', it rounds
1121 down exactly as often as it rounds up.
1122
1123 The functions are related like this:
1124
1125 @itemize @asis
1126 @item
1127 @code{ceiling(m/n) = floor((m+n-1)/n) = floor((m-1)/n)+1}
1128 for rational numbers @code{m/n} (@code{m}, @code{n} integers, @code{n}>0), and
1129 @item
1130 @code{truncate(x) = sign(x) * floor(abs(x))}
1131 @end itemize
1132
1133 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA},
1134 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1135 defines the following operations:
1136
1137 @table @code
1138 @item cl_I floor1 (const @var{type}& x)
1139 @cindex @code{floor1 ()}
1140 Returns @code{floor(x)}.
1141 @item cl_I ceiling1 (const @var{type}& x)
1142 @cindex @code{ceiling1 ()}
1143 Returns @code{ceiling(x)}.
1144 @item cl_I truncate1 (const @var{type}& x)
1145 @cindex @code{truncate1 ()}
1146 Returns @code{truncate(x)}.
1147 @item cl_I round1 (const @var{type}& x)
1148 @cindex @code{round1 ()}
1149 Returns @code{round(x)}.
1150 @end table
1151
1152 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1153 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1154 defines the following operations:
1155
1156 @table @code
1157 @item cl_I floor1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1158 Returns @code{floor(x/y)}.
1159 @item cl_I ceiling1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1160 Returns @code{ceiling(x/y)}.
1161 @item cl_I truncate1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1162 Returns @code{truncate(x/y)}.
1163 @item cl_I round1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1164 Returns @code{round(x/y)}.
1165 @end table
1166
1167 These functions are called @samp{floor1}, @dots{} here instead of
1168 @samp{floor}, @dots{}, because on some systems, system dependent include
1169 files define @samp{floor} and @samp{ceiling} as macros.
1170
1171 In many cases, one needs both the quotient and the remainder of a division.
1172 It is more efficient to compute both at the same time than to perform
1173 two divisions, one for quotient and the next one for the remainder.
1174 The following functions therefore return a structure containing both
1175 the quotient and the remainder. The suffix @samp{2} indicates the number
1176 of ``return values''. The remainder is defined as follows:
1177
1178 @itemize @bullet
1179 @item
1180 for the computation of @code{quotient = floor(x)},
1181 @code{remainder = x - quotient},
1182 @item
1183 for the computation of @code{quotient = floor(x,y)},
1184 @code{remainder = x - quotient*y},
1185 @end itemize
1186
1187 and similarly for the other three operations.
1188
1189 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA},
1190 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1191 defines the following operations:
1192
1193 @table @code
1194 @item struct @var{type}_div_t @{ cl_I quotient; @var{type} remainder; @};
1195 @itemx @var{type}_div_t floor2 (const @var{type}& x)
1196 @itemx @var{type}_div_t ceiling2 (const @var{type}& x)
1197 @itemx @var{type}_div_t truncate2 (const @var{type}& x)
1198 @itemx @var{type}_div_t round2 (const @var{type}& x)
1199 @end table
1200
1201 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1202 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1203 defines the following operations:
1204
1205 @table @code
1206 @item struct @var{type}_div_t @{ cl_I quotient; @var{type} remainder; @};
1207 @itemx @var{type}_div_t floor2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1208 @cindex @code{floor2 ()}
1209 @itemx @var{type}_div_t ceiling2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1210 @cindex @code{ceiling2 ()}
1211 @itemx @var{type}_div_t truncate2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1212 @cindex @code{truncate2 ()}
1213 @itemx @var{type}_div_t round2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1214 @cindex @code{round2 ()}
1215 @end table
1216
1217 Sometimes, one wants the quotient as a floating-point number (of the
1218 same format as the argument, if the argument is a float) instead of as
1219 an integer. The prefix @samp{f} indicates this.
1220
1221 Each of the classes
1222 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1223 defines the following operations:
1224
1225 @table @code
1226 @item @var{type} ffloor (const @var{type}& x)
1227 @cindex @code{ffloor ()}
1228 @itemx @var{type} fceiling (const @var{type}& x)
1229 @cindex @code{fceiling ()}
1230 @itemx @var{type} ftruncate (const @var{type}& x)
1231 @cindex @code{ftruncate ()}
1232 @itemx @var{type} fround (const @var{type}& x)
1233 @cindex @code{fround ()}
1234 @end table
1235
1236 and similarly for class @code{cl_R}, but with return type @code{cl_F}.
1237
1238 The class @code{cl_R} defines the following operations:
1239
1240 @table @code
1241 @item cl_F ffloor (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1242 @itemx cl_F fceiling (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1243 @itemx cl_F ftruncate (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1244 @itemx cl_F fround (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1245 @end table
1246
1247 These functions also exist in versions which return both the quotient
1248 and the remainder. The suffix @samp{2} indicates this.
1249
1250 Each of the classes
1251 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1252 defines the following operations:
1253 @cindex @code{cl_F_fdiv_t}
1254 @cindex @code{cl_SF_fdiv_t}
1255 @cindex @code{cl_FF_fdiv_t}
1256 @cindex @code{cl_DF_fdiv_t}
1257 @cindex @code{cl_LF_fdiv_t}
1258
1259 @table @code
1260 @item struct @var{type}_fdiv_t @{ @var{type} quotient; @var{type} remainder; @};
1261 @itemx @var{type}_fdiv_t ffloor2 (const @var{type}& x)
1262 @cindex @code{ffloor2 ()}
1263 @itemx @var{type}_fdiv_t fceiling2 (const @var{type}& x)
1264 @cindex @code{fceiling2 ()}
1265 @itemx @var{type}_fdiv_t ftruncate2 (const @var{type}& x)
1266 @cindex @code{ftruncate2 ()}
1267 @itemx @var{type}_fdiv_t fround2 (const @var{type}& x)
1268 @cindex @code{fround2 ()}
1269 @end table
1270 and similarly for class @code{cl_R}, but with quotient type @code{cl_F}.
1271 @cindex @code{cl_R_fdiv_t}
1272
1273 The class @code{cl_R} defines the following operations:
1274
1275 @table @code
1276 @item struct @var{type}_fdiv_t @{ cl_F quotient; cl_R remainder; @};
1277 @itemx @var{type}_fdiv_t ffloor2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1278 @itemx @var{type}_fdiv_t fceiling2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1279 @itemx @var{type}_fdiv_t ftruncate2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1280 @itemx @var{type}_fdiv_t fround2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1281 @end table
1282
1283 Other applications need only the remainder of a division.
1284 The remainder of @samp{floor} and @samp{ffloor} is called @samp{mod}
1285 (abbreviation of ``modulo''). The remainder @samp{truncate} and
1286 @samp{ftruncate} is called @samp{rem} (abbreviation of ``remainder'').
1287
1288 @itemize @bullet
1289 @item
1290 @code{mod(x,y) = floor2(x,y).remainder = x - floor(x/y)*y}
1291 @item
1292 @code{rem(x,y) = truncate2(x,y).remainder = x - truncate(x/y)*y}
1293 @end itemize
1294
1295 If @code{x} and @code{y} are both >= 0, @code{mod(x,y) = rem(x,y) >= 0}.
1296 In general, @code{mod(x,y)} has the sign of @code{y} or is zero,
1297 and @code{rem(x,y)} has the sign of @code{x} or is zero.
1298
1299 The classes @code{cl_R}, @code{cl_I} define the following operations:
1300
1301 @table @code
1302 @item @var{type} mod (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1303 @cindex @code{mod ()}
1304 @itemx @var{type} rem (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1305 @cindex @code{rem ()}
1306 @end table
1307
1308
1309 @section Roots
1310
1311 Each of the classes @code{cl_R},
1312 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1313 defines the following operation:
1314
1315 @table @code
1316 @item @var{type} sqrt (const @var{type}& x)
1317 @cindex @code{sqrt ()}
1318 @code{x} must be >= 0. This function returns the square root of @code{x},
1319 normalized to be >= 0. If @code{x} is the square of a rational number,
1320 @code{sqrt(x)} will be a rational number, else it will return a
1321 floating-point approximation.
1322 @end table
1323
1324 The classes @code{cl_RA}, @code{cl_I} define the following operation:
1325
1326 @table @code
1327 @item cl_boolean sqrtp (const @var{type}& x, @var{type}* root)
1328 @cindex @code{sqrtp ()}
1329 This tests whether @code{x} is a perfect square. If so, it returns true
1330 and the exact square root in @code{*root}, else it returns false.
1331 @end table
1332
1333 Furthermore, for integers, similarly:
1334
1335 @table @code
1336 @item cl_boolean isqrt (const @var{type}& x, @var{type}* root)
1337 @cindex @code{isqrt ()}
1338 @code{x} should be >= 0. This function sets @code{*root} to
1339 @code{floor(sqrt(x))} and returns the same value as @code{sqrtp}:
1340 the boolean value @code{(expt(*root,2) == x)}.
1341 @end table
1342
1343 For @code{n}th roots, the classes @code{cl_RA}, @code{cl_I}
1344 define the following operation:
1345
1346 @table @code
1347 @item cl_boolean rootp (const @var{type}& x, const cl_I& n, @var{type}* root)
1348 @cindex @code{rootp ()}
1349 @code{x} must be >= 0. @code{n} must be > 0.
1350 This tests whether @code{x} is an @code{n}th power of a rational number.
1351 If so, it returns true and the exact root in @code{*root}, else it returns
1352 false.
1353 @end table
1354
1355 The only square root function which accepts negative numbers is the one
1356 for class @code{cl_N}:
1357
1358 @table @code
1359 @item cl_N sqrt (const cl_N& z)
1360 @cindex @code{sqrt ()}
1361 Returns the square root of @code{z}, as defined by the formula
1362 @code{sqrt(z) = exp(log(z)/2)}. Conversion to a floating-point type
1363 or to a complex number are done if necessary. The range of the result is the
1364 right half plane @code{realpart(sqrt(z)) >= 0}
1365 including the positive imaginary axis and 0, but excluding
1366 the negative imaginary axis.
1367 The result is an exact number only if @code{z} is an exact number.
1368 @end table
1369
1370
1371 @section Transcendental functions
1372 @cindex transcendental functions
1373
1374 The transcendental functions return an exact result if the argument
1375 is exact and the result is exact as well. Otherwise they must return
1376 inexact numbers even if the argument is exact.
1377 For example, @code{cos(0) = 1} returns the rational number @code{1}.
1378
1379
1380 @subsection Exponential and logarithmic functions
1381
1382 @table @code
1383 @item cl_R exp (const cl_R& x)
1384 @cindex @code{exp ()}
1385 @itemx cl_N exp (const cl_N& x)
1386 Returns the exponential function of @code{x}. This is @code{e^x} where
1387 @code{e} is the base of the natural logarithms. The range of the result
1388 is the entire complex plane excluding 0.
1389
1390 @item cl_R ln (const cl_R& x)
1391 @cindex @code{ln ()}
1392 @code{x} must be > 0. Returns the (natural) logarithm of x.
1393
1394 @item cl_N log (const cl_N& x)
1395 @cindex @code{log ()}
1396 Returns the (natural) logarithm of x. If @code{x} is real and positive,
1397 this is @code{ln(x)}. In general, @code{log(x) = log(abs(x)) + i*phase(x)}.
1398 The range of the result is the strip in the complex plane
1399 @code{-pi < imagpart(log(x)) <= pi}.
1400
1401 @item cl_R phase (const cl_N& x)
1402 @cindex @code{phase ()}
1403 Returns the angle part of @code{x} in its polar representation as a
1404 complex number. That is, @code{phase(x) = atan(realpart(x),imagpart(x))}.
1405 This is also the imaginary part of @code{log(x)}.
1406 The range of the result is the interval @code{-pi < phase(x) <= pi}.
1407 The result will be an exact number only if @code{zerop(x)} or
1408 if @code{x} is real and positive.
1409
1410 @item cl_R log (const cl_R& a, const cl_R& b)
1411 @code{a} and @code{b} must be > 0. Returns the logarithm of @code{a} with
1412 respect to base @code{b}. @code{log(a,b) = ln(a)/ln(b)}.
1413 The result can be exact only if @code{a = 1} or if @code{a} and @code{b}
1414 are both rational.
1415
1416 @item cl_N log (const cl_N& a, const cl_N& b)
1417 Returns the logarithm of @code{a} with respect to base @code{b}.
1418 @code{log(a,b) = log(a)/log(b)}.
1419
1420 @item cl_N expt (const cl_N& x, const cl_N& y)
1421 @cindex @code{expt ()}
1422 Exponentiation: Returns @code{x^y = exp(y*log(x))}.
1423 @end table
1424
1425 The constant e = exp(1) = 2.71828@dots{} is returned by the following functions:
1426
1427 @table @code
1428 @item cl_F exp1 (float_format_t f)
1429 @cindex @code{exp1 ()}
1430 Returns e as a float of format @code{f}.
1431
1432 @item cl_F exp1 (const cl_F& y)
1433 Returns e in the float format of @code{y}.
1434
1435 @item cl_F exp1 (void)
1436 Returns e as a float of format @code{default_float_format}.
1437 @end table
1438
1439
1440 @subsection Trigonometric functions
1441
1442 @table @code
1443 @item cl_R sin (const cl_R& x)
1444 @cindex @code{sin ()}
1445 Returns @code{sin(x)}. The range of the result is the interval
1446 @code{-1 <= sin(x) <= 1}.
1447
1448 @item cl_N sin (const cl_N& z)
1449 Returns @code{sin(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1450
1451 @item cl_R cos (const cl_R& x)
1452 @cindex @code{cos ()}
1453 Returns @code{cos(x)}. The range of the result is the interval
1454 @code{-1 <= cos(x) <= 1}.
1455
1456 @item cl_N cos (const cl_N& x)
1457 Returns @code{cos(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1458
1459 @item struct cos_sin_t @{ cl_R cos; cl_R sin; @};
1460 @cindex @code{cos_sin_t}
1461 @itemx cos_sin_t cos_sin (const cl_R& x)
1462 Returns both @code{sin(x)} and @code{cos(x)}. This is more efficient than
1463 @cindex @code{cos_sin ()}
1464 computing them separately. The relation @code{cos^2 + sin^2 = 1} will
1465 hold only approximately.
1466
1467 @item cl_R tan (const cl_R& x)
1468 @cindex @code{tan ()}
1469 @itemx cl_N tan (const cl_N& x)
1470 Returns @code{tan(x) = sin(x)/cos(x)}.
1471
1472 @item cl_N cis (const cl_R& x)
1473 @cindex @code{cis ()}
1474 @itemx cl_N cis (const cl_N& x)
1475 Returns @code{exp(i*x)}. The name @samp{cis} means ``cos + i sin'', because
1476 @code{e^(i*x) = cos(x) + i*sin(x)}.
1477
1478 @cindex @code{asin}
1479 @cindex @code{asin ()}
1480 @item cl_N asin (const cl_N& z)
1481 Returns @code{arcsin(z)}. This is defined as
1482 @code{arcsin(z) = log(iz+sqrt(1-z^2))/i} and satisfies
1483 @code{arcsin(-z) = -arcsin(z)}.
1484 The range of the result is the strip in the complex domain
1485 @code{-pi/2 <= realpart(arcsin(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1486 with @code{realpart = -pi/2} and @code{imagpart < 0} and the numbers
1487 with @code{realpart = pi/2} and @code{imagpart > 0}.
1488 @ignore
1489 Proof: This follows from arcsin(z) = arsinh(iz)/i and the corresponding
1490 results for arsinh.
1491 @end ignore
1492
1493 @item cl_N acos (const cl_N& z)
1494 @cindex @code{acos ()}
1495 Returns @code{arccos(z)}. This is defined as
1496 @code{arccos(z) = pi/2 - arcsin(z) = log(z+i*sqrt(1-z^2))/i}
1497 @ignore
1498  Kahan's formula:
1499  @code{arccos(z) = 2*log(sqrt((1+z)/2)+i*sqrt((1-z)/2))/i}
1500 @end ignore
1501 and satisfies @code{arccos(-z) = pi - arccos(z)}.
1502 The range of the result is the strip in the complex domain
1503 @code{0 <= realpart(arcsin(z)) <= pi}, excluding the numbers
1504 with @code{realpart = 0} and @code{imagpart < 0} and the numbers
1505 with @code{realpart = pi} and @code{imagpart > 0}.
1506 @ignore
1507 Proof: This follows from the results about arcsin.
1508 @end ignore
1509
1510 @cindex @code{atan}
1511 @cindex @code{atan ()}
1512 @item cl_R atan (const cl_R& x, const cl_R& y)
1513 Returns the angle of the polar representation of the complex number
1514 @code{x+iy}. This is @code{atan(y/x)} if @code{x>0}. The range of
1515 the result is the interval @code{-pi < atan(x,y) <= pi}. The result will
1516 be an exact number only if @code{x > 0} and @code{y} is the exact @code{0}.
1517 WARNING: In Common Lisp, this function is called as @code{(atan y x)},
1518 with reversed order of arguments.
1519
1520 @item cl_R atan (const cl_R& x)
1521 Returns @code{arctan(x)}. This is the same as @code{atan(1,x)}. The range
1522 of the result is the interval @code{-pi/2 < atan(x) < pi/2}. The result
1523 will be an exact number only if @code{x} is the exact @code{0}.
1524
1525 @item cl_N atan (const cl_N& z)
1526 Returns @code{arctan(z)}. This is defined as
1527 @code{arctan(z) = (log(1+iz)-log(1-iz)) / 2i} and satisfies
1528 @code{arctan(-z) = -arctan(z)}. The range of the result is
1529 the strip in the complex domain
1530 @code{-pi/2 <= realpart(arctan(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1531 with @code{realpart = -pi/2} and @code{imagpart >= 0} and the numbers
1532 with @code{realpart = pi/2} and @code{imagpart <= 0}.
1533 @ignore
1534 Proof: arctan(z) = artanh(iz)/i, we know the range of the artanh function.
1535 @end ignore
1536
1537 @end table
1538
1539 @cindex pi
1540 @cindex Archimedes' constant
1541 Archimedes' constant pi = 3.14@dots{} is returned by the following functions:
1542
1543 @table @code
1544 @item cl_F pi (float_format_t f)
1545 @cindex @code{pi ()}
1546 Returns pi as a float of format @code{f}.
1547
1548 @item cl_F pi (const cl_F& y)
1549 Returns pi in the float format of @code{y}.
1550
1551 @item cl_F pi (void)
1552 Returns pi as a float of format @code{default_float_format}.
1553 @end table
1554
1555
1556 @subsection Hyperbolic functions
1557
1558 @table @code
1559 @item cl_R sinh (const cl_R& x)
1560 @cindex @code{sinh ()}
1561 Returns @code{sinh(x)}.
1562
1563 @item cl_N sinh (const cl_N& z)
1564 Returns @code{sinh(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1565
1566 @item cl_R cosh (const cl_R& x)
1567 @cindex @code{cosh ()}
1568 Returns @code{cosh(x)}. The range of the result is the interval
1569 @code{cosh(x) >= 1}.
1570
1571 @item cl_N cosh (const cl_N& z)
1572 Returns @code{cosh(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1573
1574 @item struct cosh_sinh_t @{ cl_R cosh; cl_R sinh; @};
1575 @cindex @code{cosh_sinh_t}
1576 @itemx cosh_sinh_t cosh_sinh (const cl_R& x)
1577 @cindex @code{cosh_sinh ()}
1578 Returns both @code{sinh(x)} and @code{cosh(x)}. This is more efficient than
1579 computing them separately. The relation @code{cosh^2 - sinh^2 = 1} will
1580 hold only approximately.
1581
1582 @item cl_R tanh (const cl_R& x)
1583 @cindex @code{tanh ()}
1584 @itemx cl_N tanh (const cl_N& x)
1585 Returns @code{tanh(x) = sinh(x)/cosh(x)}.
1586
1587 @item cl_N asinh (const cl_N& z)
1588 @cindex @code{asinh ()}
1589 Returns @code{arsinh(z)}. This is defined as
1590 @code{arsinh(z) = log(z+sqrt(1+z^2))} and satisfies
1591 @code{arsinh(-z) = -arsinh(z)}.
1592 @ignore
1593 Proof: Knowing the range of log, we know -pi < imagpart(arsinh(z)) <= pi.
1594 Actually, z+sqrt(1+z^2) can never be real and <0, so
1595 -pi < imagpart(arsinh(z)) < pi.
1596 We have (z+sqrt(1+z^2))*(-z+sqrt(1+(-z)^2)) = (1+z^2)-z^2 = 1, hence the
1597 logs of both factors sum up to 0 mod 2*pi*i, hence to 0.
1598 @end ignore
1599 The range of the result is the strip in the complex domain
1600 @code{-pi/2 <= imagpart(arsinh(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1601 with @code{imagpart = -pi/2} and @code{realpart > 0} and the numbers
1602 with @code{imagpart = pi/2} and @code{realpart < 0}.
1603 @ignore
1604 Proof: Write z = x+iy. Because of arsinh(-z) = -arsinh(z), we may assume
1605 that z is in Range(sqrt), that is, x>=0 and, if x=0, then y>=0.
1606 If x > 0, then Re(z+sqrt(1+z^2)) = x + Re(sqrt(1+z^2)) >= x > 0,
1607 so -pi/2 < imagpart(log(z+sqrt(1+z^2))) < pi/2.
1608 If x = 0 and y >= 0, arsinh(z) = log(i*y+sqrt(1-y^2)).
1609   If y <= 1, the realpart is 0 and the imagpart is >= 0 and <= pi/2.
1610   If y >= 1, the imagpart is pi/2 and the realpart is
1611              log(y+sqrt(y^2-1)) >= log(y) >= 0.
1612 @end ignore
1613 @ignore
1614 Moreover, if z is in Range(sqrt),
1615 log(sqrt(1+z^2)+z) = 2 artanh(z/(1+sqrt(1+z^2)))
1616 (for a proof, see file src/cl_C_asinh.cc).
1617 @end ignore
1618
1619 @item cl_N acosh (const cl_N& z)
1620 @cindex @code{acosh ()}
1621 Returns @code{arcosh(z)}. This is defined as
1622 @code{arcosh(z) = 2*log(sqrt((z+1)/2)+sqrt((z-1)/2))}.
1623 The range of the result is the half-strip in the complex domain
1624 @code{-pi < imagpart(arcosh(z)) <= pi, realpart(arcosh(z)) >= 0},
1625 excluding the numbers with @code{realpart = 0} and @code{-pi < imagpart < 0}.
1626 @ignore
1627 Proof: sqrt((z+1)/2) and sqrt((z-1)/2)) lie in Range(sqrt), hence does
1628 their sum, hence its log has an imagpart <= pi/2 and > -pi/2.
1629 If z is in Range(sqrt), we have
1630   sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = sqrt(z^2-1)
1631   ==> (sqrt((z+1)/2)+sqrt((z-1)/2))^2 = (z+1)/2 + sqrt(z^2-1) + (z-1)/2
1632                                       = z + sqrt(z^2-1)
1633   ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1)) mod 2*pi*i
1634   and since the imagpart of both expressions is > -pi, <= pi
1635   ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1))
1636   To prove that the realpart of this is >= 0, write z = x+iy with x>=0,
1637   z^2-1 = u+iv with u = x^2-y^2-1, v = 2xy,
1638   sqrt(z^2-1) = p+iq with p = sqrt((sqrt(u^2+v^2)+u)/2) >= 0,
1639                           q = sqrt((sqrt(u^2+v^2)-u)/2) * sign(v),
1640   then |z+sqrt(z^2-1)|^2 = |x+iy + p+iq|^2
1641           = (x+p)^2 + (y+q)^2
1642           = x^2 + 2xp + p^2 + y^2 + 2yq + q^2
1643           >= x^2 + p^2 + y^2 + q^2                 (since x>=0, p>=0, yq>=0)
1644           = x^2 + y^2 + sqrt(u^2+v^2)
1645           >= x^2 + y^2 + |u|
1646           >= x^2 + y^2 - u
1647           = 1 + 2*y^2
1648           >= 1
1649   hence realpart(log(z+sqrt(z^2-1))) = log(|z+sqrt(z^2-1)|) >= 0.
1650   Equality holds only if y = 0 and u <= 0, i.e. 0 <= x < 1.
1651   In this case arcosh(z) = log(x+i*sqrt(1-x^2)) has imagpart >=0.
1652 Otherwise, -z is in Range(sqrt).
1653   If y != 0, sqrt((z+1)/2) = i^sign(y) * sqrt((-z-1)/2),
1654              sqrt((z-1)/2) = i^sign(y) * sqrt((-z+1)/2),
1655              hence arcosh(z) = sign(y)*pi/2*i + arcosh(-z),
1656              and this has realpart > 0.
1657   If y = 0 and -1<=x<=0, we still have sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = sqrt(z^2-1),
1658              ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1)) = log(x+i*sqrt(1-x^2))
1659              has realpart = 0 and imagpart > 0.
1660   If y = 0 and x<=-1, however, sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = - sqrt(z^2-1),
1661              ==> arcosh(z) = log(z-sqrt(z^2-1)) = pi*i + arcosh(-z).
1662              This has realpart >= 0 and imagpart = pi.
1663 @end ignore
1664
1665 @item cl_N atanh (const cl_N& z)
1666 @cindex @code{atanh ()}
1667 Returns @code{artanh(z)}. This is defined as
1668 @code{artanh(z) = (log(1+z)-log(1-z)) / 2} and satisfies
1669 @code{artanh(-z) = -artanh(z)}. The range of the result is
1670 the strip in the complex domain
1671 @code{-pi/2 <= imagpart(artanh(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1672 with @code{imagpart = -pi/2} and @code{realpart <= 0} and the numbers
1673 with @code{imagpart = pi/2} and @code{realpart >= 0}.
1674 @ignore
1675 Proof: Write z = x+iy. Examine
1676   imagpart(artanh(z)) = (atan(1+x,y) - atan(1-x,-y))/2.
1677   Case 1: y = 0.
1678           x > 1 ==> imagpart = -pi/2, realpart = 1/2 log((x+1)/(x-1)) > 0,
1679           x < -1 ==> imagpart = pi/2, realpart = 1/2 log((-x-1)/(-x+1)) < 0,
1680           |x| < 1 ==> imagpart = 0
1681   Case 2: y > 0.
1682           imagpart(artanh(z))
1683               = (atan(1+x,y) - atan(1-x,-y))/2
1684               = ((pi/2 - atan((1+x)/y)) - (-pi/2 - atan((1-x)/-y)))/2
1685               = (pi - atan((1+x)/y) - atan((1-x)/y))/2
1686               > (pi -     pi/2      -     pi/2     )/2 = 0
1687           and (1+x)/y > (1-x)/y
1688               ==> atan((1+x)/y) > atan((-1+x)/y) = - atan((1-x)/y)
1689               ==> imagpart < pi/2.
1690           Hence 0 < imagpart < pi/2.
1691   Case 3: y < 0.
1692           By artanh(z) = -artanh(-z) and case 2, -pi/2 < imagpart < 0.
1693 @end ignore
1694 @end table
1695
1696
1697 @subsection Euler gamma
1698 @cindex Euler's constant
1699
1700 Euler's constant C = 0.577@dots{} is returned by the following functions:
1701
1702 @table @code
1703 @item cl_F eulerconst (float_format_t f)
1704 @cindex @code{eulerconst ()}
1705 Returns Euler's constant as a float of format @code{f}.
1706
1707 @item cl_F eulerconst (const cl_F& y)
1708 Returns Euler's constant in the float format of @code{y}.
1709
1710 @item cl_F eulerconst (void)
1711 Returns Euler's constant as a float of format @code{default_float_format}.
1712 @end table
1713
1714 Catalan's constant G = 0.915@dots{} is returned by the following functions:
1715 @cindex Catalan's constant
1716
1717 @table @code
1718 @item cl_F catalanconst (float_format_t f)
1719 @cindex @code{catalanconst ()}
1720 Returns Catalan's constant as a float of format @code{f}.
1721
1722 @item cl_F catalanconst (const cl_F& y)
1723 Returns Catalan's constant in the float format of @code{y}.
1724
1725 @item cl_F catalanconst (void)
1726 Returns Catalan's constant as a float of format @code{default_float_format}.
1727 @end table
1728
1729
1730 @subsection Riemann zeta
1731 @cindex Riemann's zeta
1732
1733 Riemann's zeta function at an integral point @code{s>1} is returned by the
1734 following functions:
1735
1736 @table @code
1737 @item cl_F zeta (int s, float_format_t f)
1738 @cindex @code{zeta ()}
1739 Returns Riemann's zeta function at @code{s} as a float of format @code{f}.
1740
1741 @item cl_F zeta (int s, const cl_F& y)
1742 Returns Riemann's zeta function at @code{s} in the float format of @code{y}.
1743
1744 @item cl_F zeta (int s)
1745 Returns Riemann's zeta function at @code{s} as a float of format
1746 @code{default_float_format}.
1747 @end table
1748
1749
1750 @section Functions on integers
1751
1752 @subsection Logical functions
1753
1754 Integers, when viewed as in two's complement notation, can be thought as
1755 infinite bit strings where the bits' values eventually are constant.
1756 For example,
1757 @example
1758     17 = ......00010001
1759     -6 = ......11111010
1760 @end example
1761
1762 The logical operations view integers as such bit strings and operate
1763 on each of the bit positions in parallel.
1764
1765 @table @code
1766 @item cl_I lognot (const cl_I& x)
1767 @cindex @code{lognot ()}
1768 @itemx cl_I operator ~ (const cl_I& x)
1769 @cindex @code{operator ~ ()}
1770 Logical not, like @code{~x} in C. This is the same as @code{-1-x}.
1771
1772 @item cl_I logand (const cl_I& x, const cl_I& y)
1773 @cindex @code{logand ()}
1774 @itemx cl_I operator & (const cl_I& x, const cl_I& y)
1775 @cindex @code{operator & ()}
1776 Logical and, like @code{x & y} in C.
1777
1778 @item cl_I logior (const cl_I& x, const cl_I& y)
1779 @cindex @code{logior ()}
1780 @itemx cl_I operator | (const cl_I& x, const cl_I& y)
1781 @cindex @code{operator | ()}
1782 Logical (inclusive) or, like @code{x | y} in C.
1783
1784 @item cl_I logxor (const cl_I& x, const cl_I& y)
1785 @cindex @code{logxor ()}
1786 @itemx cl_I operator ^ (const cl_I& x, const cl_I& y)
1787 @cindex @code{operator ^ ()}
1788 Exclusive or, like @code{x ^ y} in C.
1789
1790 @item cl_I logeqv (const cl_I& x, const cl_I& y)
1791 @cindex @code{logeqv ()}
1792 Bitwise equivalence, like @code{~(x ^ y)} in C.
1793
1794 @item cl_I lognand (const cl_I& x, const cl_I& y)
1795 @cindex @code{lognand ()}
1796 Bitwise not and, like @code{~(x & y)} in C.
1797
1798 @item cl_I lognor (const cl_I& x, const cl_I& y)
1799 @cindex @code{lognor ()}
1800 Bitwise not or, like @code{~(x | y)} in C.
1801
1802 @item cl_I logandc1 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1803 @cindex @code{logandc1 ()}
1804 Logical and, complementing the first argument, like @code{~x & y} in C.
1805
1806 @item cl_I logandc2 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1807 @cindex @code{logandc2 ()}
1808 Logical and, complementing the second argument, like @code{x & ~y} in C.
1809
1810 @item cl_I logorc1 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1811 @cindex @code{logorc1 ()}
1812 Logical or, complementing the first argument, like @code{~x | y} in C.
1813
1814 @item cl_I logorc2 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1815 @cindex @code{logorc2 ()}
1816 Logical or, complementing the second argument, like @code{x | ~y} in C.
1817 @end table
1818
1819 These operations are all available though the function
1820 @table @code
1821 @item cl_I boole (cl_boole op, const cl_I& x, const cl_I& y)
1822 @cindex @code{boole ()}
1823 @end table
1824 where @code{op} must have one of the 16 values (each one stands for a function
1825 which combines two bits into one bit): @code{boole_clr}, @code{boole_set},
1826 @code{boole_1}, @code{boole_2}, @code{boole_c1}, @code{boole_c2},
1827 @code{boole_and}, @code{boole_ior}, @code{boole_xor}, @code{boole_eqv},
1828 @code{boole_nand}, @code{boole_nor}, @code{boole_andc1}, @code{boole_andc2},
1829 @code{boole_orc1}, @code{boole_orc2}.
1830 @cindex @code{boole_clr}
1831 @cindex @code{boole_set}
1832 @cindex @code{boole_1}
1833 @cindex @code{boole_2}
1834 @cindex @code{boole_c1}
1835 @cindex @code{boole_c2}
1836 @cindex @code{boole_and}
1837 @cindex @code{boole_xor}
1838 @cindex @code{boole_eqv}
1839 @cindex @code{boole_nand}
1840 @cindex @code{boole_nor}
1841 @cindex @code{boole_andc1}
1842 @cindex @code{boole_andc2}
1843 @cindex @code{boole_orc1}
1844 @cindex @code{boole_orc2}
1845
1846
1847 Other functions that view integers as bit strings:
1848
1849 @table @code
1850 @item cl_boolean logtest (const cl_I& x, const cl_I& y)
1851 @cindex @code{logtest ()}
1852 Returns true if some bit is set in both @code{x} and @code{y}, i.e. if
1853 @code{logand(x,y) != 0}.
1854
1855 @item cl_boolean logbitp (const cl_I& n, const cl_I& x)
1856 @cindex @code{logbitp ()}
1857 Returns true if the @code{n}th bit (from the right) of @code{x} is set.
1858 Bit 0 is the least significant bit.
1859
1860 @item uintL logcount (const cl_I& x)
1861 @cindex @code{logcount ()}
1862 Returns the number of one bits in @code{x}, if @code{x} >= 0, or
1863 the number of zero bits in @code{x}, if @code{x} < 0.
1864 @end table
1865
1866 The following functions operate on intervals of bits in integers. 
1867 The type
1868 @example
1869 struct cl_byte @{ uintL size; uintL position; @};
1870 @end example
1871 @cindex @code{cl_byte}
1872 represents the bit interval containing the bits
1873 @code{position}@dots{}@code{position+size-1} of an integer.
1874 The constructor @code{cl_byte(size,position)} constructs a @code{cl_byte}.
1875
1876 @table @code
1877 @item cl_I ldb (const cl_I& n, const cl_byte& b)
1878 @cindex @code{ldb ()}
1879 extracts the bits of @code{n} described by the bit interval @code{b}
1880 and returns them as a nonnegative integer with @code{b.size} bits.
1881
1882 @item cl_boolean ldb_test (const cl_I& n, const cl_byte& b)
1883 @cindex @code{ldb_test ()}
1884 Returns true if some bit described by the bit interval @code{b} is set in
1885 @code{n}.
1886
1887 @item cl_I dpb (const cl_I& newbyte, const cl_I& n, const cl_byte& b)
1888 @cindex @code{dpb ()}
1889 Returns @code{n}, with the bits described by the bit interval @code{b}
1890 replaced by @code{newbyte}. Only the lowest @code{b.size} bits of
1891 @code{newbyte} are relevant.
1892 @end table
1893
1894 The functions @code{ldb} and @code{dpb} implicitly shift. The following
1895 functions are their counterparts without shifting:
1896
1897 @table @code
1898 @item cl_I mask_field (const cl_I& n, const cl_byte& b)
1899 @cindex @code{mask_field ()}
1900 returns an integer with the bits described by the bit interval @code{b}
1901 copied from the corresponding bits in @code{n}, the other bits zero.
1902
1903 @item cl_I deposit_field (const cl_I& newbyte, const cl_I& n, const cl_byte& b)
1904 @cindex @code{deposit_field ()}
1905 returns an integer where the bits described by the bit interval @code{b}
1906 come from @code{newbyte} and the other bits come from @code{n}.
1907 @end table
1908
1909 The following relations hold:
1910
1911 @itemize @asis
1912 @item
1913 @code{ldb (n, b) = mask_field(n, b) >> b.position},
1914 @item
1915 @code{dpb (newbyte, n, b) = deposit_field (newbyte << b.position, n, b)},
1916 @item
1917 @code{deposit_field(newbyte,n,b) = n ^ mask_field(n,b) ^ mask_field(new_byte,b)}.
1918 @end itemize
1919
1920 The following operations on integers as bit strings are efficient shortcuts
1921 for common arithmetic operations:
1922
1923 @table @code
1924 @item cl_boolean oddp (const cl_I& x)
1925 @cindex @code{oddp ()}
1926 Returns true if the least significant bit of @code{x} is 1. Equivalent to
1927 @code{mod(x,2) != 0}.
1928
1929 @item cl_boolean evenp (const cl_I& x)
1930 @cindex @code{evenp ()}
1931 Returns true if the least significant bit of @code{x} is 0. Equivalent to
1932 @code{mod(x,2) == 0}.
1933
1934 @item cl_I operator << (const cl_I& x, const cl_I& n)
1935 @cindex @code{operator << ()}
1936 Shifts @code{x} by @code{n} bits to the left. @code{n} should be >=0.
1937 Equivalent to @code{x * expt(2,n)}.
1938
1939 @item cl_I operator >> (const cl_I& x, const cl_I& n)
1940 @cindex @code{operator >> ()}
1941 Shifts @code{x} by @code{n} bits to the right. @code{n} should be >=0.
1942 Bits shifted out to the right are thrown away.
1943 Equivalent to @code{floor(x / expt(2,n))}.
1944
1945 @item cl_I ash (const cl_I& x, const cl_I& y)
1946 @cindex @code{ash ()}
1947 Shifts @code{x} by @code{y} bits to the left (if @code{y}>=0) or
1948 by @code{-y} bits to the right (if @code{y}<=0). In other words, this
1949 returns @code{floor(x * expt(2,y))}.
1950
1951 @item uintL integer_length (const cl_I& x)
1952 @cindex @code{integer_length ()}
1953 Returns the number of bits (excluding the sign bit) needed to represent @code{x}
1954 in two's complement notation. This is the smallest n >= 0 such that
1955 -2^n <= x < 2^n. If x > 0, this is the unique n > 0 such that
1956 2^(n-1) <= x < 2^n.
1957
1958 @item uintL ord2 (const cl_I& x)
1959 @cindex @code{ord2 ()}
1960 @code{x} must be non-zero. This function returns the number of 0 bits at the
1961 right of @code{x} in two's complement notation. This is the largest n >= 0
1962 such that 2^n divides @code{x}.
1963
1964 @item uintL power2p (const cl_I& x)
1965 @cindex @code{power2p ()}
1966 @code{x} must be > 0. This function checks whether @code{x} is a power of 2.
1967 If @code{x} = 2^(n-1), it returns n. Else it returns 0.
1968 (See also the function @code{logp}.)
1969 @end table
1970
1971
1972 @subsection Number theoretic functions
1973
1974 @table @code
1975 @item uint32 gcd (uint32 a, uint32 b)
1976 @cindex @code{gcd ()}
1977 @itemx cl_I gcd (const cl_I& a, const cl_I& b)
1978 This function returns the greatest common divisor of @code{a} and @code{b},
1979 normalized to be >= 0.
1980
1981 @item cl_I xgcd (const cl_I& a, const cl_I& b, cl_I* u, cl_I* v)
1982 @cindex @code{xgcd ()}
1983 This function (``extended gcd'') returns the greatest common divisor @code{g} of
1984 @code{a} and @code{b} and at the same time the representation of @code{g}
1985 as an integral linear combination of @code{a} and @code{b}:
1986 @code{u} and @code{v} with @code{u*a+v*b = g}, @code{g} >= 0.
1987 @code{u} and @code{v} will be normalized to be of smallest possible absolute
1988 value, in the following sense: If @code{a} and @code{b} are non-zero, and
1989 @code{abs(a) != abs(b)}, @code{u} and @code{v} will satisfy the inequalities
1990 @code{abs(u) <= abs(b)/(2*g)}, @code{abs(v) <= abs(a)/(2*g)}.
1991
1992 @item cl_I lcm (const cl_I& a, const cl_I& b)
1993 @cindex @code{lcm ()}
1994 This function returns the least common multiple of @code{a} and @code{b},
1995 normalized to be >= 0.
1996
1997 @item cl_boolean logp (const cl_I& a, const cl_I& b, cl_RA* l)
1998 @cindex @code{logp ()}
1999 @itemx cl_boolean logp (const cl_RA& a, const cl_RA& b, cl_RA* l)
2000 @code{a} must be > 0. @code{b} must be >0 and != 1. If log(a,b) is
2001 rational number, this function returns true and sets *l = log(a,b), else
2002 it returns false.
2003
2004 @item int jacobi (sint32 a, sint32 b)
2005 @cindex @code{jacobi()}
2006 @itemx int jacobi (const cl_I& a, const cl_I& b)
2007 Returns the Jacobi symbol 
2008 @tex 
2009 $\left({a\over b}\right)$,
2010 @end tex
2011 @ifnottex 
2012 (a/b),
2013 @end ifnottex
2014 @code{a,b} must be integers, @code{b>0} and odd. The result is 0
2015 iff gcd(a,b)>1.
2016
2017 @item cl_boolean isprobprime (const cl_I& n)
2018 @cindex prime
2019 @cindex @code{isprobprime()}
2020 Returns true if @code{n} is a small prime or passes the Miller-Rabin 
2021 primality test. The probability of a false positive is 1:10^30.
2022
2023 @item cl_I nextprobprime (const cl_R& x)
2024 @cindex @code{nextprobprime()}
2025 Returns the smallest probable prime >=@code{x}.
2026 @end table
2027
2028
2029 @subsection Combinatorial functions
2030
2031 @table @code
2032 @item cl_I factorial (uintL n)
2033 @cindex @code{factorial ()}
2034 @code{n} must be a small integer >= 0. This function returns the factorial
2035 @code{n}! = @code{1*2*@dots{}*n}.
2036
2037 @item cl_I doublefactorial (uintL n)
2038 @cindex @code{doublefactorial ()}
2039 @code{n} must be a small integer >= 0. This function returns the 
2040 doublefactorial @code{n}!! = @code{1*3*@dots{}*n} or 
2041 @code{n}!! = @code{2*4*@dots{}*n}, respectively.
2042
2043 @item cl_I binomial (uintL n, uintL k)
2044 @cindex @code{binomial ()}
2045 @code{n} and @code{k} must be small integers >= 0. This function returns the
2046 binomial coefficient
2047 @tex
2048 ${n \choose k} = {n! \over n! (n-k)!}$
2049 @end tex
2050 @ifinfo
2051 (@code{n} choose @code{k}) = @code{n}! / @code{k}! @code{(n-k)}!
2052 @end ifinfo
2053 for 0 <= k <= n, 0 else.
2054 @end table
2055
2056
2057 @section Functions on floating-point numbers
2058
2059 Recall that a floating-point number consists of a sign @code{s}, an
2060 exponent @code{e} and a mantissa @code{m}. The value of the number is
2061 @code{(-1)^s * 2^e * m}.
2062
2063 Each of the classes
2064 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2065 defines the following operations.
2066
2067 @table @code
2068 @item @var{type} scale_float (const @var{type}& x, sintL delta)
2069 @cindex @code{scale_float ()}
2070 @itemx @var{type} scale_float (const @var{type}& x, const cl_I& delta)
2071 Returns @code{x*2^delta}. This is more efficient than an explicit multiplication
2072 because it copies @code{x} and modifies the exponent.
2073 @end table
2074
2075 The following functions provide an abstract interface to the underlying
2076 representation of floating-point numbers.
2077
2078 @table @code
2079 @item sintL float_exponent (const @var{type}& x)
2080 @cindex @code{float_exponent ()}
2081 Returns the exponent @code{e} of @code{x}.
2082 For @code{x = 0.0}, this is 0. For @code{x} non-zero, this is the unique
2083 integer with @code{2^(e-1) <= abs(x) < 2^e}.
2084
2085 @item sintL float_radix (const @var{type}& x)
2086 @cindex @code{float_radix ()}
2087 Returns the base of the floating-point representation. This is always @code{2}.
2088
2089 @item @var{type} float_sign (const @var{type}& x)
2090 @cindex @code{float_sign ()}
2091 Returns the sign @code{s} of @code{x} as a float. The value is 1 for
2092 @code{x} >= 0, -1 for @code{x} < 0.
2093
2094 @item uintL float_digits (const @var{type}& x)
2095 @cindex @code{float_digits ()}
2096 Returns the number of mantissa bits in the floating-point representation
2097 of @code{x}, including the hidden bit. The value only depends on the type
2098 of @code{x}, not on its value.
2099
2100 @item uintL float_precision (const @var{type}& x)
2101 @cindex @code{float_precision ()}
2102 Returns the number of significant mantissa bits in the floating-point
2103 representation of @code{x}. Since denormalized numbers are not supported,
2104 this is the same as @code{float_digits(x)} if @code{x} is non-zero, and
2105 0 if @code{x} = 0.
2106 @end table
2107
2108 The complete internal representation of a float is encoded in the type
2109 @cindex @code{decoded_float}
2110 @cindex @code{decoded_sfloat}
2111 @cindex @code{decoded_ffloat}
2112 @cindex @code{decoded_dfloat}
2113 @cindex @code{decoded_lfloat}
2114 @code{decoded_float} (or @code{decoded_sfloat}, @code{decoded_ffloat},
2115 @code{decoded_dfloat}, @code{decoded_lfloat}, respectively), defined by
2116 @example
2117 struct decoded_@var{type}float @{
2118         @var{type} mantissa; cl_I exponent; @var{type} sign;
2119 @};
2120 @end example
2121
2122 and returned by the function
2123
2124 @table @code
2125 @item decoded_@var{type}float decode_float (const @var{type}& x)
2126 @cindex @code{decode_float ()}
2127 For @code{x} non-zero, this returns @code{(-1)^s}, @code{e}, @code{m} with
2128 @code{x = (-1)^s * 2^e * m} and @code{0.5 <= m < 1.0}. For @code{x} = 0,
2129 it returns @code{(-1)^s}=1, @code{e}=0, @code{m}=0.
2130 @code{e} is the same as returned by the function @code{float_exponent}.
2131 @end table
2132
2133 A complete decoding in terms of integers is provided as type
2134 @cindex @code{cl_idecoded_float}
2135 @example
2136 struct cl_idecoded_float @{
2137         cl_I mantissa; cl_I exponent; cl_I sign;
2138 @};
2139 @end example
2140 by the following function:
2141
2142 @table @code
2143 @item cl_idecoded_float integer_decode_float (const @var{type}& x)
2144 @cindex @code{integer_decode_float ()}
2145 For @code{x} non-zero, this returns @code{(-1)^s}, @code{e}, @code{m} with
2146 @code{x = (-1)^s * 2^e * m} and @code{m} an integer with @code{float_digits(x)}
2147 bits. For @code{x} = 0, it returns @code{(-1)^s}=1, @code{e}=0, @code{m}=0.
2148 WARNING: The exponent @code{e} is not the same as the one returned by
2149 the functions @code{decode_float} and @code{float_exponent}.
2150 @end table
2151
2152 Some other function, implemented only for class @code{cl_F}:
2153
2154 @table @code
2155 @item cl_F float_sign (const cl_F& x, const cl_F& y)
2156 @cindex @code{float_sign ()}
2157 This returns a floating point number whose precision and absolute value
2158 is that of @code{y} and whose sign is that of @code{x}. If @code{x} is
2159 zero, it is treated as positive. Same for @code{y}.
2160 @end table
2161
2162
2163 @section Conversion functions
2164 @cindex conversion
2165
2166 @subsection Conversion to floating-point numbers
2167
2168 The type @code{float_format_t} describes a floating-point format.
2169 @cindex @code{float_format_t}
2170
2171 @table @code
2172 @item float_format_t float_format (uintL n)
2173 @cindex @code{float_format ()}
2174 Returns the smallest float format which guarantees at least @code{n}
2175 decimal digits in the mantissa (after the decimal point).
2176
2177 @item float_format_t float_format (const cl_F& x)
2178 Returns the floating point format of @code{x}.
2179
2180 @item float_format_t default_float_format
2181 @cindex @code{default_float_format}
2182 Global variable: the default float format used when converting rational numbers
2183 to floats.
2184 @end table
2185
2186 To convert a real number to a float, each of the types
2187 @code{cl_R}, @code{cl_F}, @code{cl_I}, @code{cl_RA},
2188 @code{int}, @code{unsigned int}, @code{float}, @code{double}
2189 defines the following operations:
2190
2191 @table @code
2192 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x, float_format_t f)
2193 @cindex @code{cl_float ()}
2194 Returns @code{x} as a float of format @code{f}.
2195 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x, const cl_F& y)
2196 Returns @code{x} in the float format of @code{y}.
2197 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x)
2198 Returns @code{x} as a float of format @code{default_float_format} if
2199 it is an exact number, or @code{x} itself if it is already a float.
2200 @end table
2201
2202 Of course, converting a number to a float can lose precision.
2203
2204 Every floating-point format has some characteristic numbers:
2205
2206 @table @code
2207 @item cl_F most_positive_float (float_format_t f)
2208 @cindex @code{most_positive_float ()}
2209 Returns the largest (most positive) floating point number in float format @code{f}.
2210
2211 @item cl_F most_negative_float (float_format_t f)
2212 @cindex @code{most_negative_float ()}
2213 Returns the smallest (most negative) floating point number in float format @code{f}.
2214
2215 @item cl_F least_positive_float (float_format_t f)
2216 @cindex @code{least_positive_float ()}
2217 Returns the least positive floating point number (i.e. > 0 but closest to 0)
2218 in float format @code{f}.
2219
2220 @item cl_F least_negative_float (float_format_t f)
2221 @cindex @code{least_negative_float ()}
2222 Returns the least negative floating point number (i.e. < 0 but closest to 0)
2223 in float format @code{f}.
2224
2225 @item cl_F float_epsilon (float_format_t f)
2226 @cindex @code{float_epsilon ()}
2227 Returns the smallest floating point number e > 0 such that @code{1+e != 1}.
2228
2229 @item cl_F float_negative_epsilon (float_format_t f)
2230 @cindex @code{float_negative_epsilon ()}
2231 Returns the smallest floating point number e > 0 such that @code{1-e != 1}.
2232 @end table
2233
2234
2235 @subsection Conversion to rational numbers
2236
2237 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_F}
2238 defines the following operation:
2239
2240 @table @code
2241 @item cl_RA rational (const @var{type}& x)
2242 @cindex @code{rational ()}
2243 Returns the value of @code{x} as an exact number. If @code{x} is already
2244 an exact number, this is @code{x}. If @code{x} is a floating-point number,
2245 the value is a rational number whose denominator is a power of 2.
2246 @end table
2247
2248 In order to convert back, say, @code{(cl_F)(cl_R)"1/3"} to @code{1/3}, there is
2249 the function
2250
2251 @table @code
2252 @item cl_RA rationalize (const cl_R& x)
2253 @cindex @code{rationalize ()}
2254 If @code{x} is a floating-point number, it actually represents an interval
2255 of real numbers, and this function returns the rational number with
2256 smallest denominator (and smallest numerator, in magnitude)
2257 which lies in this interval.
2258 If @code{x} is already an exact number, this function returns @code{x}.
2259 @end table
2260
2261 If @code{x} is any float, one has
2262
2263 @itemize @asis
2264 @item
2265 @code{cl_float(rational(x),x) = x}
2266 @item
2267 @code{cl_float(rationalize(x),x) = x}
2268 @end itemize
2269
2270
2271 @section Random number generators
2272
2273
2274 A random generator is a machine which produces (pseudo-)random numbers.
2275 The include file @code{<cln/random.h>} defines a class @code{random_state}
2276 which contains the state of a random generator. If you make a copy
2277 of the random number generator, the original one and the copy will produce
2278 the same sequence of random numbers.
2279
2280 The following functions return (pseudo-)random numbers in different formats.
2281 Calling one of these modifies the state of the random number generator in
2282 a complicated but deterministic way.
2283
2284 The global variable
2285 @cindex @code{random_state}
2286 @cindex @code{default_random_state}
2287 @example
2288 random_state default_random_state
2289 @end example
2290 contains a default random number generator. It is used when the functions
2291 below are called without @code{random_state} argument.
2292
2293 @table @code
2294 @item uint32 random32 (random_state& randomstate)
2295 @itemx uint32 random32 ()
2296 @cindex @code{random32 ()}
2297 Returns a random unsigned 32-bit number. All bits are equally random.
2298
2299 @item cl_I random_I (random_state& randomstate, const cl_I& n)
2300 @itemx cl_I random_I (const cl_I& n)
2301 @cindex @code{random_I ()}
2302 @code{n} must be an integer > 0. This function returns a random integer @code{x}
2303 in the range @code{0 <= x < n}.
2304
2305 @item cl_F random_F (random_state& randomstate, const cl_F& n)
2306 @itemx cl_F random_F (const cl_F& n)
2307 @cindex @code{random_F ()}
2308 @code{n} must be a float > 0. This function returns a random floating-point
2309 number of the same format as @code{n} in the range @code{0 <= x < n}.
2310
2311 @item cl_R random_R (random_state& randomstate, const cl_R& n)
2312 @itemx cl_R random_R (const cl_R& n)
2313 @cindex @code{random_R ()}
2314 Behaves like @code{random_I} if @code{n} is an integer and like @code{random_F}
2315 if @code{n} is a float.
2316 @end table
2317
2318
2319 @section Obfuscating operators
2320 @cindex modifying operators
2321
2322 The modifying C/C++ operators @code{+=}, @code{-=}, @code{*=}, @code{/=},
2323 @code{&=}, @code{|=}, @code{^=}, @code{<<=}, @code{>>=}
2324 are not available by default because their
2325 use tends to make programs unreadable. It is trivial to get away without
2326 them. However, if you feel that you absolutely need these operators
2327 to get happy, then add
2328 @example
2329 #define WANT_OBFUSCATING_OPERATORS
2330 @end example
2331 @cindex @code{WANT_OBFUSCATING_OPERATORS}
2332 to the beginning of your source files, before the inclusion of any CLN
2333 include files. This flag will enable the following operators:
2334
2335 For the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA},
2336 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}:
2337
2338 @table @code
2339 @item @var{type}& operator += (@var{type}&, const @var{type}&)
2340 @cindex @code{operator += ()}
2341 @itemx @var{type}& operator -= (@var{type}&, const @var{type}&)
2342 @cindex @code{operator -= ()}
2343 @itemx @var{type}& operator *= (@var{type}&, const @var{type}&)
2344 @cindex @code{operator *= ()}
2345 @itemx @var{type}& operator /= (@var{type}&, const @var{type}&)
2346 @cindex @code{operator /= ()}
2347 @end table
2348
2349 For the class @code{cl_I}:
2350
2351 @table @code
2352 @item @var{type}& operator += (@var{type}&, const @var{type}&)
2353 @itemx @var{type}& operator -= (@var{type}&, const @var{type}&)
2354 @itemx @var{type}& operator *= (@var{type}&, const @var{type}&)
2355 @itemx @var{type}& operator &= (@var{type}&, const @var{type}&)
2356 @cindex @code{operator &= ()}
2357 @itemx @var{type}& operator |= (@var{type}&, const @var{type}&)
2358 @cindex @code{operator |= ()}
2359 @itemx @var{type}& operator ^= (@var{type}&, const @var{type}&)
2360 @cindex @code{operator ^= ()}
2361 @itemx @var{type}& operator <<= (@var{type}&, const @var{type}&)
2362 @cindex @code{operator <<= ()}
2363 @itemx @var{type}& operator >>= (@var{type}&, const @var{type}&)
2364 @cindex @code{operator >>= ()}
2365 @end table
2366
2367 For the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2368 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}:
2369
2370 @table @code
2371 @item @var{type}& operator ++ (@var{type}& x)
2372 @cindex @code{operator ++ ()}
2373 The prefix operator @code{++x}.
2374
2375 @item void operator ++ (@var{type}& x, int)
2376 The postfix operator @code{x++}.
2377
2378 @item @var{type}& operator -- (@var{type}& x)
2379 @cindex @code{operator -- ()}
2380 The prefix operator @code{--x}.
2381
2382 @item void operator -- (@var{type}& x, int)
2383 The postfix operator @code{x--}.
2384 @end table
2385
2386 Note that by using these obfuscating operators, you wouldn't gain efficiency:
2387 In CLN @samp{x += y;} is exactly the same as  @samp{x = x+y;}, not more
2388 efficient.
2389
2390
2391 @chapter Input/Output
2392 @cindex Input/Output
2393
2394 @section Internal and printed representation
2395 @cindex representation
2396
2397 All computations deal with the internal representations of the numbers.
2398
2399 Every number has an external representation as a sequence of ASCII characters.
2400 Several external representations may denote the same number, for example,
2401 "20.0" and "20.000".
2402
2403 Converting an internal to an external representation is called ``printing'',
2404 @cindex printing
2405 converting an external to an internal representation is called ``reading''.
2406 @cindex reading
2407 In CLN, it is always true that conversion of an internal to an external
2408 representation and then back to an internal representation will yield the
2409 same internal representation. Symbolically: @code{read(print(x)) == x}.
2410 This is called ``print-read consistency''. 
2411
2412 Different types of numbers have different external representations (case
2413 is insignificant):
2414
2415 @table @asis
2416 @item Integers
2417 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}+. The reader also accepts the
2418 Common Lisp syntaxes @var{sign}@{@var{digit}@}+@code{.} with a trailing dot
2419 for decimal integers
2420 and the @code{#@var{n}R}, @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} prefixes.
2421
2422 @item Rational numbers
2423 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}+@code{/}@{@var{digit}@}+.
2424 The @code{#@var{n}R}, @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} prefixes are allowed
2425 here as well.
2426
2427 @item Floating-point numbers
2428 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}*@var{exponent} or
2429 @var{sign}@{@var{digit}@}*@code{.}@{@var{digit}@}*@var{exponent} or
2430 @var{sign}@{@var{digit}@}*@code{.}@{@var{digit}@}+. A precision specifier
2431 of the form _@var{prec} may be appended. There must be at least
2432 one digit in the non-exponent part. The exponent has the syntax
2433 @var{expmarker} @var{expsign} @{@var{digit}@}+.
2434 The exponent marker is
2435
2436 @itemize @asis
2437 @item
2438 @samp{s} for short-floats,
2439 @item
2440 @samp{f} for single-floats,
2441 @item
2442 @samp{d} for double-floats,
2443 @item
2444 @samp{L} for long-floats,
2445 @end itemize
2446
2447 or @samp{e}, which denotes a default float format. The precision specifying
2448 suffix has the syntax _@var{prec} where @var{prec} denotes the number of
2449 valid mantissa digits (in decimal, excluding leading zeroes), cf. also
2450 function @samp{float_format}.
2451
2452 @item Complex numbers
2453 External representation:
2454 @itemize @asis
2455 @item
2456 In algebraic notation: @code{@var{realpart}+@var{imagpart}i}. Of course,
2457 if @var{imagpart} is negative, its printed representation begins with
2458 a @samp{-}, and the @samp{+} between @var{realpart} and @var{imagpart}
2459 may be omitted. Note that this notation cannot be used when the @var{imagpart}
2460 is rational and the rational number's base is >18, because the @samp{i}
2461 is then read as a digit.
2462 @item
2463 In Common Lisp notation: @code{#C(@var{realpart} @var{imagpart})}.
2464 @end itemize
2465 @end table
2466
2467
2468 @section Input functions
2469
2470 Including @code{<cln/io.h>} defines a number of simple input functions
2471 that read from @code{std::istream&}:
2472
2473 @table @code
2474 @item int freadchar (std::istream& stream)
2475 Reads a character from @code{stream}. Returns @code{cl_EOF} (not a @samp{char}!)
2476 if the end of stream was encountered or an error occurred.
2477
2478 @item int funreadchar (std::istream& stream, int c)
2479 Puts back @code{c} onto @code{stream}. @code{c} must be the result of the
2480 last @code{freadchar} operation on @code{stream}.
2481 @end table
2482
2483 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2484 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2485 defines, in @code{<cln/@var{type}_io.h>}, the following input function:
2486
2487 @table @code
2488 @item std::istream& operator>> (std::istream& stream, @var{type}& result)
2489 Reads a number from @code{stream} and stores it in the @code{result}.
2490 @end table
2491
2492 The most flexible input functions, defined in @code{<cln/@var{type}_io.h>},
2493 are the following:
2494
2495 @table @code
2496 @item cl_N read_complex (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2497 @itemx cl_R read_real (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2498 @itemx cl_F read_float (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2499 @itemx cl_RA read_rational (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2500 @itemx cl_I read_integer (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2501 Reads a number from @code{stream}. The @code{flags} are parameters which
2502 affect the input syntax. Whitespace before the number is silently skipped.
2503
2504 @item cl_N read_complex (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2505 @itemx cl_R read_real (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2506 @itemx cl_F read_float (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2507 @itemx cl_RA read_rational (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2508 @itemx cl_I read_integer (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2509 Reads a number from a string in memory. The @code{flags} are parameters which
2510 affect the input syntax. The string starts at @code{string} and ends at
2511 @code{string_limit} (exclusive limit). @code{string_limit} may also be
2512 @code{NULL}, denoting the entire string, i.e. equivalent to
2513 @code{string_limit = string + strlen(string)}. If @code{end_of_parse} is
2514 @code{NULL}, the string in memory must contain exactly one number and nothing
2515 more, else a fatal error will be signalled. If @code{end_of_parse}
2516 is not @code{NULL}, @code{*end_of_parse} will be assigned a pointer past
2517 the last parsed character (i.e. @code{string_limit} if nothing came after
2518 the number). Whitespace is not allowed.
2519 @end table
2520
2521 The structure @code{cl_read_flags} contains the following fields:
2522
2523 @table @code
2524 @item cl_read_syntax_t syntax
2525 The possible results of the read operation. Possible values are
2526 @code{syntax_number}, @code{syntax_real}, @code{syntax_rational},
2527 @code{syntax_integer}, @code{syntax_float}, @code{syntax_sfloat},
2528 @code{syntax_ffloat}, @code{syntax_dfloat}, @code{syntax_lfloat}.
2529
2530 @item cl_read_lsyntax_t lsyntax
2531 Specifies the language-dependent syntax variant for the read operation.
2532 Possible values are
2533
2534 @table @code
2535 @item lsyntax_standard
2536 accept standard algebraic notation only, no complex numbers,
2537 @item lsyntax_algebraic
2538 accept the algebraic notation @code{@var{x}+@var{y}i} for complex numbers,
2539 @item lsyntax_commonlisp
2540 accept the @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} syntaxes for binary, octal,
2541 hexadecimal numbers,
2542 @code{#@var{base}R} for rational numbers in a given base,
2543 @code{#c(@var{realpart} @var{imagpart})} for complex numbers,
2544 @item lsyntax_all
2545 accept all of these extensions.
2546 @end table
2547
2548 @item unsigned int rational_base
2549 The base in which rational numbers are read.
2550
2551 @item float_format_t float_flags.default_float_format
2552 The float format used when reading floats with exponent marker @samp{e}.
2553
2554 @item float_format_t float_flags.default_lfloat_format
2555 The float format used when reading floats with exponent marker @samp{l}.
2556
2557 @item cl_boolean float_flags.mantissa_dependent_float_format
2558 When this flag is true, floats specified with more digits than corresponding
2559 to the exponent marker they contain, but without @var{_nnn} suffix, will get a
2560 precision corresponding to their number of significant digits.
2561 @end table
2562
2563
2564 @section Output functions
2565
2566 Including @code{<cln/io.h>} defines a number of simple output functions
2567 that write to @code{std::ostream&}:
2568
2569 @table @code
2570 @item void fprintchar (std::ostream& stream, char c)
2571 Prints the character @code{x} literally on the @code{stream}.
2572
2573 @item void fprint (std::ostream& stream, const char * string)
2574 Prints the @code{string} literally on the @code{stream}.
2575
2576 @item void fprintdecimal (std::ostream& stream, int x)
2577 @itemx void fprintdecimal (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2578 Prints the integer @code{x} in decimal on the @code{stream}.
2579
2580 @item void fprintbinary (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2581 Prints the integer @code{x} in binary (base 2, without prefix)
2582 on the @code{stream}.
2583
2584 @item void fprintoctal (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2585 Prints the integer @code{x} in octal (base 8, without prefix)
2586 on the @code{stream}.
2587
2588 @item void fprinthexadecimal (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2589 Prints the integer @code{x} in hexadecimal (base 16, without prefix)
2590 on the @code{stream}.
2591 @end table
2592
2593 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2594 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2595 defines, in @code{<cln/@var{type}_io.h>}, the following output functions:
2596
2597 @table @code
2598 @item void fprint (std::ostream& stream, const @var{type}& x)
2599 @itemx std::ostream& operator<< (std::ostream& stream, const @var{type}& x)
2600 Prints the number @code{x} on the @code{stream}. The output may depend
2601 on the global printer settings in the variable @code{default_print_flags}.
2602 The @code{ostream} flags and settings (flags, width and locale) are
2603 ignored.
2604 @end table
2605
2606 The most flexible output function, defined in @code{<cln/@var{type}_io.h>},
2607 are the following:
2608 @example
2609 void print_complex  (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2610                      const cl_N& z);
2611 void print_real     (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2612                      const cl_R& z);
2613 void print_float    (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2614                      const cl_F& z);
2615 void print_rational (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2616                      const cl_RA& z);
2617 void print_integer  (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2618                      const cl_I& z);
2619 @end example
2620 Prints the number @code{x} on the @code{stream}. The @code{flags} are
2621 parameters which affect the output.
2622
2623 The structure type @code{cl_print_flags} contains the following fields:
2624
2625 @table @code
2626 @item unsigned int rational_base
2627 The base in which rational numbers are printed. Default is @code{10}.
2628
2629 @item cl_boolean rational_readably
2630 If this flag is true, rational numbers are printed with radix specifiers in
2631 Common Lisp syntax (@code{#@var{n}R} or @code{#b} or @code{#o} or @code{#x}
2632 prefixes, trailing dot). Default is false.
2633
2634 @item cl_boolean float_readably
2635 If this flag is true, type specific exponent markers have precedence over 'E'.
2636 Default is false.
2637
2638 @item float_format_t default_float_format
2639 Floating point numbers of this format will be printed using the 'E' exponent
2640 marker. Default is @code{float_format_ffloat}.
2641
2642 @item cl_boolean complex_readably
2643 If this flag is true, complex numbers will be printed using the Common Lisp
2644 syntax @code{#C(@var{realpart} @var{imagpart})}. Default is false.
2645
2646 @item cl_string univpoly_varname
2647 Univariate polynomials with no explicit indeterminate name will be printed
2648 using this variable name. Default is @code{"x"}.
2649 @end table
2650
2651 The global variable @code{default_print_flags} contains the default values,
2652 used by the function @code{fprint}.
2653
2654
2655 @chapter Rings
2656
2657 CLN has a class of abstract rings.
2658
2659 @example
2660                          Ring
2661                        cl_ring
2662                      <cln/ring.h>
2663 @end example
2664
2665 Rings can be compared for equality:
2666
2667 @table @code
2668 @item bool operator== (const cl_ring&, const cl_ring&)
2669 @itemx bool operator!= (const cl_ring&, const cl_ring&)
2670 These compare two rings for equality.
2671 @end table
2672
2673 Given a ring @code{R}, the following members can be used.
2674
2675 @table @code
2676 @item void R->fprint (std::ostream& stream, const cl_ring_element& x)
2677 @cindex @code{fprint ()}
2678 @itemx cl_boolean R->equal (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2679 @cindex @code{equal ()}
2680 @itemx cl_ring_element R->zero ()
2681 @cindex @code{zero ()}
2682 @itemx cl_boolean R->zerop (const cl_ring_element& x)
2683 @cindex @code{zerop ()}
2684 @itemx cl_ring_element R->plus (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2685 @cindex @code{plus ()}
2686 @itemx cl_ring_element R->minus (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2687 @cindex @code{minus ()}
2688 @itemx cl_ring_element R->uminus (const cl_ring_element& x)
2689 @cindex @code{uminus ()}
2690 @itemx cl_ring_element R->one ()
2691 @cindex @code{one ()}
2692 @itemx cl_ring_element R->canonhom (const cl_I& x)
2693 @cindex @code{canonhom ()}
2694 @itemx cl_ring_element R->mul (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2695 @cindex @code{mul ()}
2696 @itemx cl_ring_element R->square (const cl_ring_element& x)
2697 @cindex @code{square ()}
2698 @itemx cl_ring_element R->expt_pos (const cl_ring_element& x, const cl_I& y)
2699 @cindex @code{expt_pos ()}
2700 @end table
2701
2702 The following rings are built-in.
2703
2704 @table @code
2705 @item cl_null_ring cl_0_ring
2706 The null ring, containing only zero.
2707
2708 @item cl_complex_ring cl_C_ring
2709 The ring of complex numbers. This corresponds to the type @code{cl_N}.
2710
2711 @item cl_real_ring cl_R_ring
2712 The ring of real numbers. This corresponds to the type @code{cl_R}.
2713
2714 @item cl_rational_ring cl_RA_ring
2715 The ring of rational numbers. This corresponds to the type @code{cl_RA}.
2716
2717 @item cl_integer_ring cl_I_ring
2718 The ring of integers. This corresponds to the type @code{cl_I}.
2719 @end table
2720
2721 Type tests can be performed for any of @code{cl_C_ring}, @code{cl_R_ring},
2722 @code{cl_RA_ring}, @code{cl_I_ring}:
2723
2724 @table @code
2725 @item cl_boolean instanceof (const cl_number& x, const cl_number_ring& R)
2726 @cindex @code{instanceof ()}
2727 Tests whether the given number is an element of the number ring R.
2728 @end table
2729
2730
2731 @chapter Modular integers
2732 @cindex modular integer
2733
2734 @section Modular integer rings
2735 @cindex ring
2736
2737 CLN implements modular integers, i.e. integers modulo a fixed integer N.
2738 The modulus is explicitly part of every modular integer. CLN doesn't
2739 allow you to (accidentally) mix elements of different modular rings,
2740 e.g. @code{(3 mod 4) + (2 mod 5)} will result in a runtime error.
2741 (Ideally one would imagine a generic data type @code{cl_MI(N)}, but C++
2742 doesn't have generic types. So one has to live with runtime checks.)
2743
2744 The class of modular integer rings is
2745
2746 @example
2747                          Ring
2748                        cl_ring
2749                      <cln/ring.h>
2750                           |
2751                           |
2752                  Modular integer ring
2753                     cl_modint_ring
2754                   <cln/modinteger.h>
2755 @end example
2756 @cindex @code{cl_modint_ring}
2757
2758 and the class of all modular integers (elements of modular integer rings) is
2759
2760 @example
2761                     Modular integer
2762                          cl_MI
2763                    <cln/modinteger.h>
2764 @end example
2765
2766 Modular integer rings are constructed using the function
2767
2768 @table @code
2769 @item cl_modint_ring find_modint_ring (const cl_I& N)
2770 @cindex @code{find_modint_ring ()}
2771 This function returns the modular ring @samp{Z/NZ}. It takes care
2772 of finding out about special cases of @code{N}, like powers of two
2773 and odd numbers for which Montgomery multiplication will be a win,
2774 @cindex Montgomery multiplication
2775 and precomputes any necessary auxiliary data for computing modulo @code{N}.
2776 There is a cache table of rings, indexed by @code{N} (or, more precisely,
2777 by @code{abs(N)}). This ensures that the precomputation costs are reduced
2778 to a minimum.
2779 @end table
2780
2781 Modular integer rings can be compared for equality:
2782
2783 @table @code
2784 @item bool operator== (const cl_modint_ring&, const cl_modint_ring&)
2785 @cindex @code{operator == ()}
2786 @itemx bool operator!= (const cl_modint_ring&, const cl_modint_ring&)
2787 @cindex @code{operator != ()}
2788 These compare two modular integer rings for equality. Two different calls
2789 to @code{find_modint_ring} with the same argument necessarily return the
2790 same ring because it is memoized in the cache table.
2791 @end table
2792
2793 @section Functions on modular integers
2794
2795 Given a modular integer ring @code{R}, the following members can be used.
2796
2797 @table @code
2798 @item cl_I R->modulus
2799 @cindex @code{modulus}
2800 This is the ring's modulus, normalized to be nonnegative: @code{abs(N)}.
2801
2802 @item cl_MI R->zero()
2803 @cindex @code{zero ()}
2804 This returns @code{0 mod N}.
2805
2806 @item cl_MI R->one()
2807 @cindex @code{one ()}
2808 This returns @code{1 mod N}.
2809
2810 @item cl_MI R->canonhom (const cl_I& x)
2811 @cindex @code{canonhom ()}
2812 This returns @code{x mod N}.
2813
2814 @item cl_I R->retract (const cl_MI& x)
2815 @cindex @code{retract ()}
2816 This is a partial inverse function to @code{R->canonhom}. It returns the
2817 standard representative (@code{>=0}, @code{<N}) of @code{x}.
2818
2819 @item cl_MI R->random(random_state& randomstate)
2820 @itemx cl_MI R->random()
2821 @cindex @code{random ()}
2822 This returns a random integer modulo @code{N}.
2823 @end table
2824
2825 The following operations are defined on modular integers.
2826
2827 @table @code
2828 @item cl_modint_ring x.ring ()
2829 @cindex @code{ring ()}
2830 Returns the ring to which the modular integer @code{x} belongs.
2831
2832 @item cl_MI operator+ (const cl_MI&, const cl_MI&)
2833 @cindex @code{operator + ()}
2834 Returns the sum of two modular integers. One of the arguments may also
2835 be a plain integer.
2836
2837 @item cl_MI operator- (const cl_MI&, const cl_MI&)
2838 @cindex @code{operator - ()}
2839 Returns the difference of two modular integers. One of the arguments may also
2840 be a plain integer.
2841
2842 @item cl_MI operator- (const cl_MI&)
2843 Returns the negative of a modular integer.
2844
2845 @item cl_MI operator* (const cl_MI&, const cl_MI&)
2846 @cindex @code{operator * ()}
2847 Returns the product of two modular integers. One of the arguments may also
2848 be a plain integer.
2849
2850 @item cl_MI square (const cl_MI&)
2851 @cindex @code{square ()}
2852 Returns the square of a modular integer.
2853
2854 @item cl_MI recip (const cl_MI& x)
2855 @cindex @code{recip ()}
2856 Returns the reciprocal @code{x^-1} of a modular integer @code{x}. @code{x}
2857 must be coprime to the modulus, otherwise an error message is issued.
2858
2859 @item cl_MI div (const cl_MI& x, const cl_MI& y)
2860 @cindex @code{div ()}
2861 Returns the quotient @code{x*y^-1} of two modular integers @code{x}, @code{y}.
2862 @code{y} must be coprime to the modulus, otherwise an error message is issued.
2863
2864 @item cl_MI expt_pos (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2865 @cindex @code{expt_pos ()}
2866 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
2867
2868 @item cl_MI expt (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2869 @cindex @code{expt ()}
2870 Returns @code{x^y}. If @code{y} is negative, @code{x} must be coprime to the
2871 modulus, else an error message is issued.
2872
2873 @item cl_MI operator<< (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2874 @cindex @code{operator << ()}
2875 Returns @code{x*2^y}.
2876
2877 @item cl_MI operator>> (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2878 @cindex @code{operator >> ()}
2879 Returns @code{x*2^-y}. When @code{y} is positive, the modulus must be odd,
2880 or an error message is issued.
2881
2882 @item bool operator== (const cl_MI&, const cl_MI&)
2883 @cindex @code{operator == ()}
2884 @itemx bool operator!= (const cl_MI&, const cl_MI&)
2885 @cindex @code{operator != ()}
2886 Compares two modular integers, belonging to the same modular integer ring,
2887 for equality.
2888
2889 @item cl_boolean zerop (const cl_MI& x)
2890 @cindex @code{zerop ()}
2891 Returns true if @code{x} is @code{0 mod N}.
2892 @end table
2893
2894 The following output functions are defined (see also the chapter on
2895 input/output).
2896
2897 @table @code
2898 @item void fprint (std::ostream& stream, const cl_MI& x)
2899 @cindex @code{fprint ()}
2900 @itemx std::ostream& operator<< (std::ostream& stream, const cl_MI& x)
2901 @cindex @code{operator << ()}
2902 Prints the modular integer @code{x} on the @code{stream}. The output may depend
2903 on the global printer settings in the variable @code{default_print_flags}.
2904 @end table
2905
2906
2907 @chapter Symbolic data types
2908 @cindex symbolic type
2909
2910 CLN implements two symbolic (non-numeric) data types: strings and symbols.
2911
2912 @section Strings
2913 @cindex string
2914 @cindex @code{cl_string}
2915
2916 The class
2917
2918 @example
2919                       String
2920                      cl_string
2921                    <cln/string.h>
2922 @end example
2923
2924 implements immutable strings.
2925
2926 Strings are constructed through the following constructors:
2927
2928 @table @code
2929 @item cl_string (const char * s)
2930 Returns an immutable copy of the (zero-terminated) C string @code{s}.
2931
2932 @item cl_string (const char * ptr, unsigned long len)
2933 Returns an immutable copy of the @code{len} characters at
2934 @code{ptr[0]}, @dots{}, @code{ptr[len-1]}. NUL characters are allowed.
2935 @end table
2936
2937 The following functions are available on strings:
2938
2939 @table @code
2940 @item operator =
2941 Assignment from @code{cl_string} and @code{const char *}.
2942
2943 @item s.length()
2944 @cindex @code{length ()}
2945 @itemx strlen(s)
2946 @cindex @code{strlen ()}
2947 Returns the length of the string @code{s}.
2948
2949 @item s[i]
2950 @cindex @code{operator [] ()}
2951 Returns the @code{i}th character of the string @code{s}.
2952 @code{i} must be in the range @code{0 <= i < s.length()}.
2953
2954 @item bool equal (const cl_string& s1, const cl_string& s2)
2955 @cindex @code{equal ()}
2956 Compares two strings for equality. One of the arguments may also be a
2957 plain @code{const char *}.
2958 @end table
2959
2960 @section Symbols
2961 @cindex symbol
2962 @cindex @code{cl_symbol}
2963
2964 Symbols are uniquified strings: all symbols with the same name are shared.
2965 This means that comparison of two symbols is fast (effectively just a pointer
2966 comparison), whereas comparison of two strings must in the worst case walk
2967 both strings until their end.
2968 Symbols are used, for example, as tags for properties, as names of variables
2969 in polynomial rings, etc.
2970
2971 Symbols are constructed through the following constructor:
2972
2973 @table @code
2974 @item cl_symbol (const cl_string& s)
2975 Looks up or creates a new symbol with a given name.
2976 @end table
2977
2978 The following operations are available on symbols:
2979
2980 @table @code
2981 @item cl_string (const cl_symbol& sym)
2982 Conversion to @code{cl_string}: Returns the string which names the symbol
2983 @code{sym}.
2984
2985 @item bool equal (const cl_symbol& sym1, const cl_symbol& sym2)
2986 @cindex @code{equal ()}
2987 Compares two symbols for equality. This is very fast.
2988 @end table
2989
2990
2991 @chapter Univariate polynomials
2992 @cindex polynomial
2993 @cindex univariate polynomial
2994
2995 @section Univariate polynomial rings
2996
2997 CLN implements univariate polynomials (polynomials in one variable) over an
2998 arbitrary ring. The indeterminate variable may be either unnamed (and will be
2999 printed according to @code{default_print_flags.univpoly_varname}, which
3000 defaults to @samp{x}) or carry a given name. The base ring and the
3001 indeterminate are explicitly part of every polynomial. CLN doesn't allow you to
3002 (accidentally) mix elements of different polynomial rings, e.g.
3003 @code{(a^2+1) * (b^3-1)} will result in a runtime error. (Ideally this should
3004 return a multivariate polynomial, but they are not yet implemented in CLN.)
3005
3006 The classes of univariate polynomial rings are
3007
3008 @example
3009                            Ring
3010                          cl_ring
3011                        <cln/ring.h>
3012                             |
3013                             |
3014                  Univariate polynomial ring
3015                       cl_univpoly_ring
3016                       <cln/univpoly.h>
3017                             |
3018            +----------------+-------------------+
3019            |                |                   |
3020  Complex polynomial ring    |    Modular integer polynomial ring
3021  cl_univpoly_complex_ring   |        cl_univpoly_modint_ring
3022  <cln/univpoly_complex.h>   |        <cln/univpoly_modint.h>
3023                             |
3024            +----------------+
3025            |                |
3026    Real polynomial ring     |
3027    cl_univpoly_real_ring    |
3028    <cln/univpoly_real.h>    |
3029                             |
3030            +----------------+
3031            |                |
3032  Rational polynomial ring   |
3033  cl_univpoly_rational_ring  |
3034  <cln/univpoly_rational.h>  |
3035                             |
3036            +----------------+
3037            |
3038  Integer polynomial ring
3039  cl_univpoly_integer_ring
3040  <cln/univpoly_integer.h>
3041 @end example
3042
3043 and the corresponding classes of univariate polynomials are
3044
3045 @example
3046                    Univariate polynomial
3047                           cl_UP
3048                       <cln/univpoly.h>
3049                             |
3050            +----------------+-------------------+
3051            |                |                   |
3052    Complex polynomial       |      Modular integer polynomial
3053         cl_UP_N             |                cl_UP_MI
3054  <cln/univpoly_complex.h>   |        <cln/univpoly_modint.h>
3055                             |
3056            +----------------+
3057            |                |
3058      Real polynomial        |
3059         cl_UP_R             |
3060   <cln/univpoly_real.h>     |
3061                             |
3062            +----------------+
3063            |                |
3064    Rational polynomial      |
3065         cl_UP_RA            |
3066  <cln/univpoly_rational.h>  |
3067                             |
3068            +----------------+
3069            |
3070    Integer polynomial
3071         cl_UP_I
3072  <cln/univpoly_integer.h>
3073 @end example
3074
3075 Univariate polynomial rings are constructed using the functions
3076
3077 @table @code
3078 @item cl_univpoly_ring find_univpoly_ring (const cl_ring& R)
3079 @itemx cl_univpoly_ring find_univpoly_ring (const cl_ring& R, const cl_symbol& varname)
3080 This function returns the polynomial ring @samp{R[X]}, unnamed or named.
3081 @code{R} may be an arbitrary ring. This function takes care of finding out
3082 about special cases of @code{R}, such as the rings of complex numbers,
3083 real numbers, rational numbers, integers, or modular integer rings.
3084 There is a cache table of rings, indexed by @code{R} and @code{varname}.
3085 This ensures that two calls of this function with the same arguments will
3086 return the same polynomial ring.
3087
3088 @itemx cl_univpoly_complex_ring find_univpoly_ring (const cl_complex_ring& R)
3089 @cindex @code{find_univpoly_ring ()}
3090 @itemx cl_univpoly_complex_ring find_univpoly_ring (const cl_complex_ring& R, const cl_symbol& varname)
3091 @itemx cl_univpoly_real_ring find_univpoly_ring (const cl_real_ring& R)
3092 @itemx cl_univpoly_real_ring find_univpoly_ring (const cl_real_ring& R, const cl_symbol& varname)
3093 @itemx cl_univpoly_rational_ring find_univpoly_ring (const cl_rational_ring& R)
3094 @itemx cl_univpoly_rational_ring find_univpoly_ring (const cl_rational_ring& R, const cl_symbol& varname)
3095 @itemx cl_univpoly_integer_ring find_univpoly_ring (const cl_integer_ring& R)
3096 @itemx cl_univpoly_integer_ring find_univpoly_ring (const cl_integer_ring& R, const cl_symbol& varname)
3097 @itemx cl_univpoly_modint_ring find_univpoly_ring (const cl_modint_ring& R)
3098 @itemx cl_univpoly_modint_ring find_univpoly_ring (const cl_modint_ring& R, const cl_symbol& varname)
3099 These functions are equivalent to the general @code{find_univpoly_ring},
3100 only the return type is more specific, according to the base ring's type.
3101 @end table
3102
3103 @section Functions on univariate polynomials
3104
3105 Given a univariate polynomial ring @code{R}, the following members can be used.
3106
3107 @table @code
3108 @item cl_ring R->basering()
3109 @cindex @code{basering ()}
3110 This returns the base ring, as passed to @samp{find_univpoly_ring}.
3111
3112 @item cl_UP R->zero()
3113 @cindex @code{zero ()}
3114 This returns @code{0 in R}, a polynomial of degree -1.
3115
3116 @item cl_UP R->one()
3117 @cindex @code{one ()}
3118 This returns @code{1 in R}, a polynomial of degree == 0.
3119
3120 @item cl_UP R->canonhom (const cl_I& x)
3121 @cindex @code{canonhom ()}
3122 This returns @code{x in R}, a polynomial of degree <= 0.
3123
3124 @item cl_UP R->monomial (const cl_ring_element& x, uintL e)
3125 @cindex @code{monomial ()}
3126 This returns a sparse polynomial: @code{x * X^e}, where @code{X} is the
3127 indeterminate.
3128
3129 @item cl_UP R->create (sintL degree)
3130 @cindex @code{create ()}
3131 Creates a new polynomial with a given degree. The zero polynomial has degree
3132 @code{-1}. After creating the polynomial, you should put in the coefficients,
3133 using the @code{set_coeff} member function, and then call the @code{finalize}
3134 member function.
3135 @end table
3136
3137 The following are the only destructive operations on univariate polynomials.
3138
3139 @table @code
3140 @item void set_coeff (cl_UP& x, uintL index, const cl_ring_element& y)
3141 @cindex @code{set_coeff ()}
3142 This changes the coefficient of @code{X^index} in @code{x} to be @code{y}.
3143 After changing a polynomial and before applying any "normal" operation on it,
3144 you should call its @code{finalize} member function.
3145
3146 @item void finalize (cl_UP& x)
3147 @cindex @code{finalize ()}
3148 This function marks the endpoint of destructive modifications of a polynomial.
3149 It normalizes the internal representation so that subsequent computations have
3150 less overhead. Doing normal computations on unnormalized polynomials may
3151 produce wrong results or crash the program.
3152 @end table
3153
3154 The following operations are defined on univariate polynomials.
3155
3156 @table @code
3157 @item cl_univpoly_ring x.ring ()
3158 @cindex @code{ring ()}
3159 Returns the ring to which the univariate polynomial @code{x} belongs.
3160
3161 @item cl_UP operator+ (const cl_UP&, const cl_UP&)
3162 @cindex @code{operator + ()}
3163 Returns the sum of two univariate polynomials.
3164
3165 @item cl_UP operator- (const cl_UP&, const cl_UP&)
3166 @cindex @code{operator - ()}
3167 Returns the difference of two univariate polynomials.
3168
3169 @item cl_UP operator- (const cl_UP&)
3170 Returns the negative of a univariate polynomial.
3171
3172 @item cl_UP operator* (const cl_UP&, const cl_UP&)
3173 @cindex @code{operator * ()}
3174 Returns the product of two univariate polynomials. One of the arguments may
3175 also be a plain integer or an element of the base ring.
3176
3177 @item cl_UP square (const cl_UP&)
3178 @cindex @code{square ()}
3179 Returns the square of a univariate polynomial.
3180
3181 @item cl_UP expt_pos (const cl_UP& x, const cl_I& y)
3182 @cindex @code{expt_pos ()}
3183 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
3184
3185 @item bool operator== (const cl_UP&, const cl_UP&)
3186 @cindex @code{operator == ()}
3187 @itemx bool operator!= (const cl_UP&, const cl_UP&)
3188 @cindex @code{operator != ()}
3189 Compares two univariate polynomials, belonging to the same univariate
3190 polynomial ring, for equality.
3191
3192 @item cl_boolean zerop (const cl_UP& x)
3193 @cindex @code{zerop ()}
3194 Returns true if @code{x} is @code{0 in R}.
3195
3196 @item sintL degree (const cl_UP& x)
3197 @cindex @code{degree ()}
3198 Returns the degree of the polynomial. The zero polynomial has degree @code{-1}.
3199
3200 @item sintL ldegree (const cl_UP& x)
3201 @cindex @code{degree ()}
3202 Returns the low degree of the polynomial. This is the degree of the first
3203 non-vanishing polynomial coefficient. The zero polynomial has ldegree @code{-1}.
3204
3205 @item cl_ring_element coeff (const cl_UP& x, uintL index)
3206 @cindex @code{coeff ()}
3207 Returns the coefficient of @code{X^index} in the polynomial @code{x}.
3208
3209 @item cl_ring_element x (const cl_ring_element& y)
3210 @cindex @code{operator () ()}
3211 Evaluation: If @code{x} is a polynomial and @code{y} belongs to the base ring,
3212 then @samp{x(y)} returns the value of the substitution of @code{y} into
3213 @code{x}.
3214
3215 @item cl_UP deriv (const cl_UP& x)
3216 @cindex @code{deriv ()}
3217 Returns the derivative of the polynomial @code{x} with respect to the
3218 indeterminate @code{X}.
3219 @end table
3220
3221 The following output functions are defined (see also the chapter on
3222 input/output).
3223
3224 @table @code
3225 @item void fprint (std::ostream& stream, const cl_UP& x)
3226 @cindex @code{fprint ()}
3227 @itemx std::ostream& operator<< (std::ostream& stream, const cl_UP& x)
3228 @cindex @code{operator << ()}
3229 Prints the univariate polynomial @code{x} on the @code{stream}. The output may
3230 depend on the global printer settings in the variable
3231 @code{default_print_flags}.
3232 @end table
3233
3234 @section Special polynomials
3235
3236 The following functions return special polynomials.
3237
3238 @table @code
3239 @item cl_UP_I tschebychev (sintL n)
3240 @cindex @code{tschebychev ()}
3241 @cindex Chebyshev polynomial
3242 Returns the n-th Chebyshev polynomial (n >= 0).
3243
3244 @item cl_UP_I hermite (sintL n)
3245 @cindex @code{hermite ()}
3246 @cindex Hermite polynomial
3247 Returns the n-th Hermite polynomial (n >= 0).
3248
3249 @item cl_UP_RA legendre (sintL n)
3250 @cindex @code{legendre ()}
3251 @cindex Legende polynomial
3252 Returns the n-th Legendre polynomial (n >= 0).
3253
3254 @item cl_UP_I laguerre (sintL n)
3255 @cindex @code{laguerre ()}
3256 @cindex Laguerre polynomial
3257 Returns the n-th Laguerre polynomial (n >= 0).
3258 @end table
3259
3260 Information how to derive the differential equation satisfied by each
3261 of these polynomials from their definition can be found in the
3262 @code{doc/polynomial/} directory.
3263
3264
3265 @chapter Internals
3266
3267 @section Why C++ ?
3268 @cindex advocacy
3269
3270 Using C++ as an implementation language provides
3271
3272 @itemize @bullet
3273 @item
3274 Efficiency: It compiles to machine code.
3275
3276 @item
3277 @cindex portability
3278 Portability: It runs on all platforms supporting a C++ compiler. Because
3279 of the availability of GNU C++, this includes all currently used 32-bit and
3280 64-bit platforms, independently of the quality of the vendor's C++ compiler.
3281
3282 @item
3283 Type safety: The C++ compilers knows about the number types and complains if,
3284 for example, you try to assign a float to an integer variable. However,
3285 a drawback is that C++ doesn't know about generic types, hence a restriction
3286 like that @code{operator+ (const cl_MI&, const cl_MI&)} requires that both
3287 arguments belong to the same modular ring cannot be expressed as a compile-time
3288 information.
3289
3290 @item
3291 Algebraic syntax: The elementary operations @code{+}, @code{-}, @code{*},
3292 @code{=}, @code{==}, ... can be used in infix notation, which is more
3293 convenient than Lisp notation @samp{(+ x y)} or C notation @samp{add(x,y,&z)}.
3294 @end itemize
3295
3296 With these language features, there is no need for two separate languages,
3297 one for the implementation of the library and one in which the library's users
3298 can program. This means that a prototype implementation of an algorithm
3299 can be integrated into the library immediately after it has been tested and
3300 debugged. No need to rewrite it in a low-level language after having prototyped
3301 in a high-level language.
3302
3303
3304 @section Memory efficiency
3305
3306 In order to save memory allocations, CLN implements:
3307
3308 @itemize @bullet
3309 @item
3310 Object sharing: An operation like @code{x+0} returns @code{x} without copying
3311 it.
3312 @item
3313 @cindex garbage collection
3314 @cindex reference counting
3315 Garbage collection: A reference counting mechanism makes sure that any
3316 number object's storage is freed immediately when the last reference to the
3317 object is gone.
3318 @item
3319 @cindex immediate numbers
3320 Small integers are represented as immediate values instead of pointers
3321 to heap allocated storage. This means that integers @code{> -2^29},
3322 @code{< 2^29} don't consume heap memory, unless they were explicitly allocated
3323 on the heap.
3324 @end itemize
3325
3326
3327 @section Speed efficiency
3328
3329 Speed efficiency is obtained by the combination of the following tricks
3330 and algorithms:
3331
3332 @itemize @bullet
3333 @item
3334 Small integers, being represented as immediate values, don't require
3335 memory access, just a couple of instructions for each elementary operation.
3336 @item
3337 The kernel of CLN has been written in assembly language for some CPUs
3338 (@code{i386}, @code{m68k}, @code{sparc}, @code{mips}, @code{arm}).
3339 @item
3340 On all CPUs, CLN may be configured to use the superefficient low-level
3341 routines from GNU GMP version 3.
3342 @item
3343 For large numbers, CLN uses, instead of the standard @code{O(N^2)}
3344 algorithm, the Karatsuba multiplication, which is an
3345 @iftex
3346 @tex
3347 $O(N^{1.6})$
3348 @end tex
3349 @end iftex
3350 @ifinfo
3351 @code{O(N^1.6)}
3352 @end ifinfo
3353 algorithm.
3354 @item
3355 For very large numbers (more than 12000 decimal digits), CLN uses
3356 @iftex
3357 Sch{@"o}nhage-Strassen
3358 @cindex Sch{@"o}nhage-Strassen multiplication
3359 @end iftex
3360 @ifinfo
3361 Schönhage-Strassen
3362 @cindex Schönhage-Strassen multiplication
3363 @end ifinfo
3364 multiplication, which is an asymptotically optimal multiplication 
3365 algorithm.
3366 @item
3367 These fast multiplication algorithms also give improvements in the speed
3368 of division and radix conversion.
3369 @end itemize
3370
3371
3372 @section Garbage collection
3373 @cindex garbage collection
3374
3375 All the number classes are reference count classes: They only contain a pointer
3376 to an object in the heap. Upon construction, assignment and destruction of
3377 number objects, only the objects' reference count are manipulated.
3378
3379 Memory occupied by number objects are automatically reclaimed as soon as
3380 their reference count drops to zero.
3381
3382 For number rings, another strategy is implemented: There is a cache of,
3383 for example, the modular integer rings. A modular integer ring is destroyed
3384 only if its reference count dropped to zero and the cache is about to be
3385 resized. The effect of this strategy is that recently used rings remain
3386 cached, whereas undue memory consumption through cached rings is avoided.
3387
3388
3389 @chapter Using the library
3390
3391 For the following discussion, we will assume that you have installed
3392 the CLN source in @code{$CLN_DIR} and built it in @code{$CLN_TARGETDIR}.
3393 For example, for me it's @code{CLN_DIR="$HOME/cln"} and
3394 @code{CLN_TARGETDIR="$HOME/cln/linuxelf"}. You might define these as
3395 environment variables, or directly substitute the appropriate values.
3396
3397
3398 @section Compiler options
3399 @cindex compiler options
3400
3401 Until you have installed CLN in a public place, the following options are
3402 needed:
3403
3404 When you compile CLN application code, add the flags
3405 @example
3406    -I$CLN_DIR/include -I$CLN_TARGETDIR/include
3407 @end example
3408 to the C++ compiler's command line (@code{make} variable CFLAGS or CXXFLAGS).
3409 When you link CLN application code to form an executable, add the flags
3410 @example
3411    $CLN_TARGETDIR/src/libcln.a
3412 @end example
3413 to the C/C++ compiler's command line (@code{make} variable LIBS).
3414
3415 If you did a @code{make install}, the include files are installed in a
3416 public directory (normally @code{/usr/local/include}), hence you don't
3417 need special flags for compiling. The library has been installed to a
3418 public directory as well (normally @code{/usr/local/lib}), hence when
3419 linking a CLN application it is sufficient to give the flag @code{-lcln}.
3420
3421 Since CLN version 1.1, there are two tools to make the creation of
3422 software packages that use CLN easier:
3423 @itemize @bullet
3424 @item
3425 @cindex @code{cln-config}
3426 @code{cln-config} is a shell script that you can use to determine the
3427 compiler and linker command line options required to compile and link a
3428 program with CLN.  Start it with @code{--help} to learn about its options
3429 or consult the manpage that comes with it.
3430 @item
3431 @cindex @code{AC_PATH_CLN}
3432 @code{AC_PATH_CLN} is for packages configured using GNU automake.
3433 The synopsis is:
3434 @example
3435 @code{AC_PATH_CLN([@var{MIN-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])}
3436 @end example
3437 This macro determines the location of CLN using @code{cln-config}, which
3438 is either found in the user's path, or from the environment variable
3439 @code{CLN_CONFIG}.  It tests the installed libraries to make sure that
3440 their version is not earlier than @var{MIN-VERSION} (a default version
3441 will be used if not specified). If the required version was found, sets
3442 the @env{CLN_CPPFLAGS} and the @env{CLN_LIBS} variables. This
3443 macro is in the file @file{cln.m4} which is installed in
3444 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
3445 different @samp{--prefix} than CLN, you will either have to manually
3446 move @file{cln.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
3447 aclocal the @samp{-I} option when running it. Here is a possible example
3448 to be included in your package's @file{configure.ac}:
3449 @example
3450 AC_PATH_CLN(1.1.0, [
3451   LIBS="$LIBS $CLN_LIBS"
3452   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $CLN_CPPFLAGS"
3453 ], AC_MSG_ERROR([No suitable installed version of CLN could be found.]))
3454 @end example
3455 @end itemize
3456
3457
3458 @section Compatibility to old CLN versions
3459 @cindex namespace
3460 @cindex compatibility
3461
3462 As of CLN version 1.1 all non-macro identifiers were hidden in namespace
3463 @code{cln} in order to avoid potential name clashes with other C++
3464 libraries. If you have an old application, you will have to manually
3465 port it to the new scheme. The following principles will help during
3466 the transition:
3467 @itemize @bullet
3468 @item
3469 All headers are now in a separate subdirectory. Instead of including
3470 @code{cl_}@var{something}@code{.h}, include
3471 @code{cln/}@var{something}@code{.h} now.
3472 @item
3473 All public identifiers (typenames and functions) have lost their
3474 @code{cl_} prefix.  Exceptions are all the typenames of number types,
3475 (cl_N, cl_I, cl_MI, @dots{}), rings, symbolic types (cl_string,
3476 cl_symbol) and polynomials (cl_UP_@var{type}).  (This is because their
3477 names would not be mnemonic enough once the namespace @code{cln} is
3478 imported. Even in a namespace we favor @code{cl_N} over @code{N}.)
3479 @item
3480 All public @emph{functions} that had by a @code{cl_} in their name still
3481 carry that @code{cl_} if it is intrinsic part of a typename (as in
3482 @code{cl_I_to_int ()}).
3483 @end itemize
3484 When developing other libraries, please keep in mind not to import the
3485 namespace @code{cln} in one of your public header files by saying
3486 @code{using namespace cln;}. This would propagate to other applications
3487 and can cause name clashes there.
3488
3489
3490 @section Include files
3491 @cindex include files
3492 @cindex header files
3493
3494 Here is a summary of the include files and their contents.
3495
3496 @table @code
3497 @item <cln/object.h>
3498 General definitions, reference counting, garbage collection.
3499 @item <cln/number.h>
3500 The class cl_number.
3501 @item <cln/complex.h>
3502 Functions for class cl_N, the complex numbers.
3503 @item <cln/real.h>
3504 Functions for class cl_R, the real numbers.
3505 @item <cln/float.h>
3506 Functions for class cl_F, the floats.
3507 @item <cln/sfloat.h>
3508 Functions for class cl_SF, the short-floats.
3509 @item <cln/ffloat.h>
3510 Functions for class cl_FF, the single-floats.
3511 @item <cln/dfloat.h>
3512 Functions for class cl_DF, the double-floats.
3513 @item <cln/lfloat.h>
3514 Functions for class cl_LF, the long-floats.
3515 @item <cln/rational.h>
3516 Functions for class cl_RA, the rational numbers.
3517 @item <cln/integer.h>
3518 Functions for class cl_I, the integers.
3519 @item <cln/io.h>
3520 Input/Output.
3521 @item <cln/complex_io.h>
3522 Input/Output for class cl_N, the complex numbers.
3523 @item <cln/real_io.h>
3524 Input/Output for class cl_R, the real numbers.
3525 @item <cln/float_io.h>
3526 Input/Output for class cl_F, the floats.
3527 @item <cln/sfloat_io.h>
3528 Input/Output for class cl_SF, the short-floats.
3529 @item <cln/ffloat_io.h>
3530 Input/Output for class cl_FF, the single-floats.
3531 @item <cln/dfloat_io.h>
3532 Input/Output for class cl_DF, the double-floats.
3533 @item <cln/lfloat_io.h>
3534 Input/Output for class cl_LF, the long-floats.
3535 @item <cln/rational_io.h>
3536 Input/Output for class cl_RA, the rational numbers.
3537 @item <cln/integer_io.h>
3538 Input/Output for class cl_I, the integers.
3539 @item <cln/input.h>
3540 Flags for customizing input operations.
3541 @item <cln/output.h>
3542 Flags for customizing output operations.
3543 @item <cln/malloc.h>
3544 @code{malloc_hook}, @code{free_hook}.
3545 @item <cln/abort.h>
3546 @code{cl_abort}.
3547 @item <cln/condition.h>
3548 Conditions/exceptions.
3549 @item <cln/string.h>
3550 Strings.
3551 @item <cln/symbol.h>
3552 Symbols.
3553 @item <cln/proplist.h>
3554 Property lists.
3555 @item <cln/ring.h>
3556 General rings.
3557 @item <cln/null_ring.h>
3558 The null ring.
3559 @item <cln/complex_ring.h>
3560 The ring of complex numbers.
3561 @item <cln/real_ring.h>
3562 The ring of real numbers.
3563 @item <cln/rational_ring.h>
3564 The ring of rational numbers.
3565 @item <cln/integer_ring.h>
3566 The ring of integers.
3567 @item <cln/numtheory.h>
3568 Number threory functions.
3569 @item <cln/modinteger.h>
3570 Modular integers.
3571 @item <cln/V.h>
3572 Vectors.
3573 @item <cln/GV.h>
3574 General vectors.
3575 @item <cln/GV_number.h>
3576 General vectors over cl_number.
3577 @item <cln/GV_complex.h>
3578 General vectors over cl_N.
3579 @item <cln/GV_real.h>
3580 General vectors over cl_R.
3581 @item <cln/GV_rational.h>
3582 General vectors over cl_RA.
3583 @item <cln/GV_integer.h>
3584 General vectors over cl_I.
3585 @item <cln/GV_modinteger.h>
3586 General vectors of modular integers.
3587 @item <cln/SV.h>
3588 Simple vectors.
3589 @item <cln/SV_number.h>
3590 Simple vectors over cl_number.
3591 @item <cln/SV_complex.h>
3592 Simple vectors over cl_N.
3593 @item <cln/SV_real.h>
3594 Simple vectors over cl_R.
3595 @item <cln/SV_rational.h>
3596 Simple vectors over cl_RA.
3597 @item <cln/SV_integer.h>
3598 Simple vectors over cl_I.
3599 @item <cln/SV_ringelt.h>
3600 Simple vectors of general ring elements.
3601 @item <cln/univpoly.h>
3602 Univariate polynomials.
3603 @item <cln/univpoly_integer.h>
3604 Univariate polynomials over the integers.
3605 @item <cln/univpoly_rational.h>
3606 Univariate polynomials over the rational numbers.
3607 @item <cln/univpoly_real.h>
3608 Univariate polynomials over the real numbers.
3609 @item <cln/univpoly_complex.h>
3610 Univariate polynomials over the complex numbers.
3611 @item <cln/univpoly_modint.h>
3612 Univariate polynomials over modular integer rings.
3613 @item <cln/timing.h>
3614 Timing facilities.
3615 @item <cln/cln.h>
3616 Includes all of the above.
3617 @end table
3618
3619
3620 @section An Example
3621
3622 A function which computes the nth Fibonacci number can be written as follows.
3623 @cindex Fibonacci number
3624
3625 @example
3626 #include <cln/integer.h>
3627 #include <cln/real.h>
3628 using namespace cln;
3629
3630 // Returns F_n, computed as the nearest integer to
3631 // ((1+sqrt(5))/2)^n/sqrt(5). Assume n>=0.
3632 const cl_I fibonacci (int n)
3633 @{
3634         // Need a precision of ((1+sqrt(5))/2)^-n.
3635         float_format_t prec = float_format((int)(0.208987641*n+5));
3636         cl_R sqrt5 = sqrt(cl_float(5,prec));
3637         cl_R phi = (1+sqrt5)/2;
3638         return round1( expt(phi,n)/sqrt5 );
3639 @}
3640 @end example
3641
3642 Let's explain what is going on in detail.
3643
3644 The include file @code{<cln/integer.h>} is necessary because the type
3645 @code{cl_I} is used in the function, and the include file @code{<cln/real.h>}
3646 is needed for the type @code{cl_R} and the floating point number functions.
3647 The order of the include files does not matter.  In order not to write
3648 out @code{cln::}@var{foo} in this simple example we can safely import
3649 the whole namespace @code{cln}.
3650
3651 Then comes the function declaration. The argument is an @code{int}, the
3652 result an integer. The return type is defined as @samp{const cl_I}, not
3653 simply @samp{cl_I}, because that allows the compiler to detect typos like
3654 @samp{fibonacci(n) = 100}. It would be possible to declare the return
3655 type as @code{const cl_R} (real number) or even @code{const cl_N} (complex
3656 number). We use the most specialized possible return type because functions
3657 which call @samp{fibonacci} will be able to profit from the compiler's type
3658 analysis: Adding two integers is slightly more efficient than adding the
3659 same objects declared as complex numbers, because it needs less type
3660 dispatch. Also, when linking to CLN as a non-shared library, this minimizes
3661 the size of the resulting executable program.
3662
3663 The result will be computed as expt(phi,n)/sqrt(5), rounded to the nearest
3664 integer. In order to get a correct result, the absolute error should be less
3665 than 1/2, i.e. the relative error should be less than sqrt(5)/(2*expt(phi,n)).
3666 To this end, the first line computes a floating point precision for sqrt(5)
3667 and phi.
3668
3669 Then sqrt(5) is computed by first converting the integer 5 to a floating point
3670 number and than taking the square root. The converse, first taking the square
3671 root of 5, and then converting to the desired precision, would not work in
3672 CLN: The square root would be computed to a default precision (normally
3673 single-float precision), and the following conversion could not help about
3674 the lacking accuracy. This is because CLN is not a symbolic computer algebra
3675 system and does not represent sqrt(5) in a non-numeric way.
3676
3677 The type @code{cl_R} for sqrt5 and, in the following line, phi is the only
3678 possible choice. You cannot write @code{cl_F} because the C++ compiler can
3679 only infer that @code{cl_float(5,prec)} is a real number. You cannot write
3680 @code{cl_N} because a @samp{round1} does not exist for general complex
3681 numbers.
3682
3683 When the function returns, all the local variables in the function are
3684 automatically reclaimed (garbage collected). Only the result survives and
3685 gets passed to the caller.
3686
3687 The file @code{fibonacci.cc} in the subdirectory @code{examples}
3688 contains this implementation together with an even faster algorithm.
3689
3690 @section Debugging support
3691 @cindex debugging
3692
3693 When debugging a CLN application with GNU @code{gdb}, two facilities are
3694 available from the library:
3695
3696 @itemize @bullet
3697 @item The library does type checks, range checks, consistency checks at
3698 many places. When one of these fails, the function @code{cl_abort()} is
3699 called. Its default implementation is to perform an @code{exit(1)}, so
3700 you won't have a core dump. But for debugging, it is best to set a
3701 breakpoint at this function:
3702 @example
3703 (gdb) break cl_abort
3704 @end example
3705 When this breakpoint is hit, look at the stack's backtrace:
3706 @example
3707 (gdb) where
3708 @end example
3709
3710 @item The debugger's normal @code{print} command doesn't know about
3711 CLN's types and therefore prints mostly useless hexadecimal addresses.
3712 CLN offers a function @code{cl_print}, callable from the debugger,
3713 for printing number objects. In order to get this function, you have
3714 to define the macro @samp{CL_DEBUG} and then include all the header files
3715 for which you want @code{cl_print} debugging support. For example:
3716 @cindex @code{CL_DEBUG}
3717 @example
3718 #define CL_DEBUG
3719 #include <cln/string.h>
3720 @end example
3721 Now, if you have in your program a variable @code{cl_string s}, and
3722 inspect it under @code{gdb}, the output may look like this:
3723 @example
3724 (gdb) print s
3725 $7 = @{<cl_gcpointer> = @{ = @{pointer = 0x8055b60, heappointer = 0x8055b60,
3726   word = 134568800@}@}, @}
3727 (gdb) call cl_print(s)
3728 (cl_string) ""
3729 $8 = 134568800
3730 @end example
3731 Note that the output of @code{cl_print} goes to the program's error output,
3732 not to gdb's standard output.
3733
3734 Note, however, that the above facility does not work with all CLN types,
3735 only with number objects and similar. Therefore CLN offers a member function
3736 @code{debug_print()} on all CLN types. The same macro @samp{CL_DEBUG}
3737 is needed for this member function to be implemented. Under @code{gdb},
3738 you call it like this:
3739 @cindex @code{debug_print ()}
3740 @example
3741 (gdb) print s
3742 $7 = @{<cl_gcpointer> = @{ = @{pointer = 0x8055b60, heappointer = 0x8055b60,
3743   word = 134568800@}@}, @}
3744 (gdb) call s.debug_print()
3745 (cl_string) ""
3746 (gdb) define cprint
3747 >call ($1).debug_print()
3748 >end
3749 (gdb) cprint s
3750 (cl_string) ""
3751 @end example
3752 Unfortunately, this feature does not seem to work under all circumstances.
3753 @end itemize
3754
3755
3756 @chapter Customizing
3757 @cindex customizing
3758
3759 @section Error handling
3760
3761 When a fatal error occurs, an error message is output to the standard error
3762 output stream, and the function @code{cl_abort} is called. The default
3763 version of this function (provided in the library) terminates the application.
3764 To catch such a fatal error, you need to define the function @code{cl_abort}
3765 yourself, with the prototype
3766 @example
3767 #include <cln/abort.h>
3768 void cl_abort (void);
3769 @end example
3770 @cindex @code{cl_abort ()}
3771 This function must not return control to its caller.
3772
3773
3774 @section Floating-point underflow
3775 @cindex underflow
3776
3777 Floating point underflow denotes the situation when a floating-point number
3778 is to be created which is so close to @code{0} that its exponent is too
3779 low to be represented internally. By default, this causes a fatal error.
3780 If you set the global variable
3781 @example
3782 cl_boolean cl_inhibit_floating_point_underflow
3783 @end example
3784 to @code{cl_true}, the error will be inhibited, and a floating-point zero
3785 will be generated instead.  The default value of 
3786 @code{cl_inhibit_floating_point_underflow} is @code{cl_false}.
3787
3788
3789 @section Customizing I/O
3790
3791 The output of the function @code{fprint} may be customized by changing the
3792 value of the global variable @code{default_print_flags}.
3793 @cindex @code{default_print_flags}
3794
3795
3796 @section Customizing the memory allocator
3797
3798 Every memory allocation of CLN is done through the function pointer
3799 @code{malloc_hook}. Freeing of this memory is done through the function
3800 pointer @code{free_hook}. The default versions of these functions,
3801 provided in the library, call @code{malloc} and @code{free} and check
3802 the @code{malloc} result against @code{NULL}.
3803 If you want to provide another memory allocator, you need to define
3804 the variables @code{malloc_hook} and @code{free_hook} yourself,
3805 like this:
3806 @example
3807 #include <cln/malloc.h>
3808 namespace cln @{
3809         void* (*malloc_hook) (size_t size) = @dots{};
3810         void (*free_hook) (void* ptr)      = @dots{};
3811 @}
3812 @end example
3813 @cindex @code{malloc_hook ()}
3814 @cindex @code{free_hook ()}
3815 The @code{cl_malloc_hook} function must not return a @code{NULL} pointer.
3816
3817 It is not possible to change the memory allocator at runtime, because
3818 it is already called at program startup by the constructors of some
3819 global variables.
3820
3821
3822
3823
3824 @c Indices
3825
3826 @unnumbered Index
3827
3828 @printindex my
3829
3830
3831 @c Table of contents
3832 @contents
3833
3834
3835 @bye